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

Тяжелый легкий бег Тяжелый легкий бег

Как работает организм на марафонских дистанциях

Популярная механика
«Если рисунок смотрит, значит, он жив»: как художники иллюстрируют книжную классику по-новому «Если рисунок смотрит, значит, он жив»: как художники иллюстрируют книжную классику по-новому

Каково это — иллюстрировать произведения, которые издавались уже десятки раз

Правила жизни
Колосс Херсонский Колосс Херсонский

Среди достижений Григория Потёмкина не только военные и любовные победы

Дилетант
Гадюка попыталась проглотить зайчонка в десять раз тяжелее себя Гадюка попыталась проглотить зайчонка в десять раз тяжелее себя

Некоторые змеи способны целиком проглатывать добычу, которая очень велика

N+1
Пространство новых материалов Пространство новых материалов

Как один ученый придумал альтернативу таблице Менделеева

Популярная механика
Путь Карлито: как Карлос Алькарас стал зарабатывать более $40 млн в год Путь Карлито: как Карлос Алькарас стал зарабатывать более $40 млн в год

Роль в развитии Карлоса Алькараса его агента и умении располагать к себе фанатов

Forbes
Добро пожаловать на борт! Добро пожаловать на борт!

О чем нужно помнить, собираясь в аэропорт

Лиза
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
Пластмассовый мир (не) победил Пластмассовый мир (не) победил

Насколько глубоко гаджеты проникли в нашу жизнь?

Правила жизни
У Татьяны Замировской вышла книга «Свечи апокалипсиса». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок У Татьяны Замировской вышла книга «Свечи апокалипсиса». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок

Книга про самый дорогогой свечной бутик в Нью-Йорке основана на реальном опыте

Maxim
Выдыхаем после форума Выдыхаем после форума

Отрывки из путеводителя «Владивосток и окрестности»

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Страховка с биткойном Страховка с биткойном

Как работают инвестиционные полисы с привязкой к биткойну

Ведомости
Превратить экранное время в деньги: как поколение альфа зарабатывает в смартфонах Превратить экранное время в деньги: как поколение альфа зарабатывает в смартфонах

Дети и подростки, которым исполняется около 15 лет, уже зарабатывают деньги

Forbes
Как мотивировать сотрудников: повышаем работоспособность команды Как мотивировать сотрудников: повышаем работоспособность команды

Проверенные стратегии повышения вовлеченности сотрудников на основе кейсов

Inc.
Снижение конденсационных следов от самолетов назвали важной климатической мерой Снижение конденсационных следов от самолетов назвали важной климатической мерой

Чтобы снизить влияние авиации на климат, лучше сосредоточиться на следах

N+1
Громких разводов не будет Громких разводов не будет

Супруги-совладельцы все чаще прибегают к медиации

Монокль
Как фотограф Рино Бариллари снимал Одри Хепберн, принцессу Диану и 12 раз ломал ребра Как фотограф Рино Бариллари снимал Одри Хепберн, принцессу Диану и 12 раз ломал ребра

О том, почему профессия папарацци все еще жива и востребована

Forbes
Интернет из папки: готовы ли российские суды доверять электронным доказательствам Интернет из папки: готовы ли российские суды доверять электронным доказательствам

Как цифровизация сказывается на судебных процессах в России?

Forbes
Пример заразителен Пример заразителен

Как гаджеты могут стать наркотиком и почему их не стоит обвинять во всех бедах

Правила жизни
Банки на передовой Банки на передовой

Как работала финансовая система СССР во время войны

Эксперт
Иллюзия сознания и реальность игры Иллюзия сознания и реальность игры

Книги: очередная биография Эйнштейна и исследование эмоций

N+1
«Тренд золотых девочек»: как женщины ищут компаньонок для совместной жизни на пенсии «Тренд золотых девочек»: как женщины ищут компаньонок для совместной жизни на пенсии

Женские коммуны вместо домов престарелых — как женщины борются с одиночеством

Forbes
Что следует знать начинающему инвестору Что следует знать начинающему инвестору

Что надо знать, когда планируете начать инвестировать?

Наука и техника
Он вам не тягач Он вам не тягач

Непростая судьба премиум-пикапов, которые понравились только коллекционерам

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Беспроигрышное вложение Беспроигрышное вложение

Что может сработать на национальную идею о многодетности?

Ведомости
Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой

Астрономы подтвердили обнаружение третьего межзвездного объекта

N+1
Трансмонный кубит достиг миллисекундной когерентности Трансмонный кубит достиг миллисекундной когерентности

Физики изготовили трансмонные кубиты из напыленной пленки ниобия

N+1
Американские горки Американские горки

Группа БКС возобновила торги американскими бумагами через свой инвестбанк

Ведомости
Москва на экране Москва на экране

Почему регионы готовы доплачивать за съемки фильмов на своей территории

Эксперт
Музыка волн Музыка волн

Примеры того, как гаджет перевернул музыкальную индустрию

Правила жизни
Открыть в приложении