Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техникаHi-Tech

Эра литий-ионных аккумуляторов

Анастасия Рогачева

Вы еще помните телефоны с кудрявым проводом, сигнал которого громко раздавался по всем комнатам? Сейчас их почти нигде не увидишь. А некоторые и вовсе хранятся в музеях. Сегодня мы можем носить телефон в кармане и заряжать раз в 1–2 дня. И не только его – наши ноутбуки тоже стали портативными. Да чего уж там, по крупным городам ездят электромобили и электробусы. Весь этот (уже привычный) футуризм стал возможен благодаря аккумуляторам – мобильным химическим источникам тока, проще говоря, батарейкам.

Батарейки накапливают энергию в химической форме, а когда требуется, отдают ее в виде электроэнергии. Эти замечательные устройства, большие и малые, не имея видимых движущихся узлов, «проталкивают» электроны по замкнутому контуру. Ежегодно аккумуляторы совершенствуются, а научные коллективы по всему миру неустанно трудятся над тем, чтобы повысить емкость, надежность, безопасность и экологичность батареек и одновременно уменьшить их размер, вес и цену.

Литий-ионный аккумулятор цилиндрический. Источник: Lead holder/ Wikipedia

Пожалуй, самыми распространенными в обычной жизни химическими источниками тока стали литий-ионные аккумуляторы. Сегодня они обеспечивают энергией смартфоны, ноутбуки, мелкую бытовую технику, электросамокаты и велосипеды, а также электромобили.

Электромобиль Tesla Model Y. Источник: AuHaidhausen / Wikipedia

От других видов аккумуляторов их отличает то, что они генерируют энергию благодаря чрезвычайно низкой электроотрицательности лития. То есть литий так легко расстается с электронами, что готов вступить в реакцию с очень многими химическими соединениями. Кроме того, литий – один из самых легких химических элементов с очень легким ядром в центре атома. Поэтому литиевые батареи хранят огромный запас химической потенциальной энергии в очень легкой упаковке. Казалось бы, идеальные характеристики для создания портативных источников энергии. Однако не все так просто, дешево и безопасно, как кажется на первый взгляд…

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический. Источник: Tomasz Sienicki / Wikipedia

Все, кому когда-либо доводилось менять батарейку, знают про пресловутый «плюс и минус». За «плюс» отвечает катод, или положительный электрод, а за «минус» – анод, или отрицательный электрод. Между ними находится электролит – вещество, которое позволяет ионам перемещаться между полюсами. Электролит может находиться в жидком, гелеобразном или твердом состоянии. Для предотвращения короткого замыкания используется сепаратор – тонкая полимерная пленка, пропускающая ионы. Все элементы заключены в прочный корпус, который защищает аккумулятор и обеспечивает его безопасность. От качества каждого элемента зависят характеристики батареи, но основой становятся именно катод и анод. С них все и началось.

Первый прообраз аккумулятора, который можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. В 1859 Году Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею – первую батарею, которую можно было заряжать, пропуская через нее противоположный ток, то есть вторичный источник тока.

В 1970-х гг., на фоне нефтяного кризиса, возникла необходимость в альтернативных источниках энергии. Британо-американский химик Майкл Стэнли Уиттингем предложил концепцию литий-ионного аккумулятора. Он использовал катодный материал (до 20% стоимости готового аккумулятора приходится именно на него) на основе дисульфида титана. Ученый начал исследования в области интеркалированных электродов, что привело к созданию первого прототипа литий-ионной батареи. Интеркаляция позволяет включать ионы или молекулы в слои кристаллической решетки материала электрода. При разрядке литий отдавал электроны и через мембрану переходил в катод, встраиваясь между слоями дисульфида титана. Однако при зарядке такого аккумулятора часто образовывались дендриты – выросты лития от анода к катоду. Они пробивали сепаратор между анодом и катодом, создавая короткое замыкание, что вызывало проблемы с безопасностью. Между тем это был первый успех в развитии литий-ионных аккумуляторов.

Химик Майкл Стэнли Уиттингем. Источник: A. Mahmoud / Nobel Media

В 1980 году американский физик Джон Гуденаф предложил использовать оксид кобальта и лития (LiCoO2) в качестве катодного материала. Это значительно повысило напряжение батареи и улучшило ее стабильность, то есть с использованием этого материала появилась возможность накапливать гораздо большую энергию на единицу массы. В то время сама идея использования оксида в качестве интеркаляционного катода была новаторской. Ведь до этого считалось, что связи лития и кислорода слишком прочны, и литий не будет обладать высокой подвижностью в оксидных материалах. Неудивительно, что такой подход предложил именно Гуденаф. В зарубежном научном сообществе ученого знали как патриарха всей современной химии твердого тела. Научный поиск не подвел: даже спустя почти полвека после выхода статьи Гуденафа оксид лития-кобальта до сих пор используется примерно в трети литий-ионных аккумуляторов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Автономный шестилапый робот «MICROBRO» Автономный шестилапый робот «MICROBRO»

Как создать ровер, который сам везет ваш багаж туда, куда вам нужно?

Наука и техника
Ответственность за три четверти ожидаемых случаев рака желудка возложили на хеликобактер Ответственность за три четверти ожидаемых случаев рака желудка возложили на хеликобактер

Хроническая инфекция хеликобактер служит основной причиной рака желудка

N+1
Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техника
Океан гор Океан гор

Где побывать и что попробовать в Адыгее

Лиза
Милютины Милютины

В отличие от большей части тогдашней элиты, Милютины поднялись из низов

Дилетант
Геометрическая прогрессия Геометрическая прогрессия

Всем — лагом: скандинавский принцип умеренности перекочевал в бьюти

Собака.ru
Новое чувство космоса Новое чувство космоса

Теперь телескопы могут отслеживать колебания пространства-времени

ТехИнсайдер
Иллюзия сознания и реальность игры Иллюзия сознания и реальность игры

Книги: очередная биография Эйнштейна и исследование эмоций

N+1
Киану Ривз. От печали до радости Киану Ривз. От печали до радости

Сегодня 60-летний Киану Ривз открыто признается: «Я наконец-то счастлив!»

Караван историй
Пятиминутный путеводитель по видеоиграм Пятиминутный путеводитель по видеоиграм

Все о видеоиграх: кто их придумал и какими они бывают

Правила жизни
Соучастники космоса Соучастники космоса

Как и зачем запускают совместные космические миссии? Рассказывает Натан Эйсмонт

Монокль
Астероидные кольца, сила гравитации и сжатие звездного облака: откуда взялась Луна Астероидные кольца, сила гравитации и сжатие звездного облака: откуда взялась Луна

Почему ни одна из гипотез не может объяснить, как на самом деле «родилась» Луна

Maxim
Уязвимое место: почему колени так часто травмируются Уязвимое место: почему колени так часто травмируются

Почему колени — такое болезненное и уязвимое место в теле человека?

ТехИнсайдер
Переходи на зеленый Переходи на зеленый

Мода на экосексуальность и привычки, полезные для тебя и для природы

Лиза
Ошибка выжившего: как Москва искажает представление о счастье и бесконечно производит зависть Ошибка выжившего: как Москва искажает представление о счастье и бесконечно производит зависть

Как Москва сделала потребление культом и за сколько счастье можно купить

Правила жизни
Стив Возняк Стив Возняк

Правила жизни инженера и предпринимателя Стива Возняка

Правила жизни
Взяться за голову Взяться за голову

В КХЛ усилили защиту от ЧМТ: новые правила и умные капы для игроков

Ведомости
Михаил Дегтярев: Фонд – это инструмент нашего президента Михаил Дегтярев: Фонд – это инструмент нашего президента

О создании Российского спортивного фонда и трудностях, которые он решит

Ведомости
Твоя принцесса в другом замке: самые безумные фанатские теории о Супер Марио Твоя принцесса в другом замке: самые безумные фанатские теории о Супер Марио

Весь мир — театр, а Марио — коммунист: самые нелепые теории о мире Супер Марио

Правила жизни
Кристина Кретова и Игорь Цвирко: «В моде у нас не было и нет кумира» Кристина Кретова и Игорь Цвирко: «В моде у нас не было и нет кумира»

Модный разговор с прима-балериной Кристиной Кретовой и премьером Игорем Цвирко

Караван историй
Оригами-робота научили прижимать ноги и ходить по-крабьи Оригами-робота научили прижимать ноги и ходить по-крабьи

Инженер из Германии разработал четвероногого оригами-робота Fold Walker

N+1
4 способа улучшить сон с помощью спорта 4 способа улучшить сон с помощью спорта

Методы, которые существенно помогают при различных аспектах нарушений сна

ТехИнсайдер
Опасная иллюзия: почему не стоит путать искусственный интеллект с чат-ботами Опасная иллюзия: почему не стоит путать искусственный интеллект с чат-ботами

ИИ — спаситель человечества или его зловещий повелитель?

Forbes
Гранфлюенсеры: каких российских блогеров старше 50 лет смотрят зумеры и миллениалы Гранфлюенсеры: каких российских блогеров старше 50 лет смотрят зумеры и миллениалы

Возрастные инфлюенсеры, контент которых смотрят зумеры

Forbes
Мозг просыпается постепенно, и волна активация идет ото лба к затылку Мозг просыпается постепенно, и волна активация идет ото лба к затылку

Чем процесс пробуждения отличается от процесса засыпания?

ТехИнсайдер
Илья Перфильев: «Фокус на персонал – основа новой философии компании» Илья Перфильев: «Фокус на персонал – основа новой философии компании»

Об актуальных профессиях и работе с молодыми специалистами

Ведомости
Главная по костюмам: как Эдит Хэд одевала Голливуд и получила восемь «Оскаров» Главная по костюмам: как Эдит Хэд одевала Голливуд и получила восемь «Оскаров»

История Эдит Хэд — самой титулованной женщины за всю историю премии «Оскар»

Forbes
4 ингредиента, которых не должно быть в твоем шампуне: мнение трихологов 4 ингредиента, которых не должно быть в твоем шампуне: мнение трихологов

Ингредиенты в шампунях, которые могут нанести урон здоровью кожи головы

VOICE
Базальты с обратной стороны Луны возникли из истощенной мантии Базальты с обратной стороны Луны возникли из истощенной мантии

Источником базальтов, добытых станцией «Чанъэ-6», была мантия из слоев Луны

N+1
Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой

Астрономы подтвердили обнаружение третьего межзвездного объекта

N+1
Открыть в приложении