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

«Русланы» уходят. Часть 1 «Русланы» уходят. Часть 1

История Ан-124 «Руслан» уходит во времена зарождения реактивной авиации

Наука и техника
Японский десант на Великих озерах Японский десант на Великих озерах

Большое поглощение в мировой металлургии все-таки состоится

Монокль
Дублер человека Дублер человека

Что такое ИИ-агенты, как они устроены и на что способны?

РБК
Вяземские Вяземские

Происходивший от Рюрика княжеский род Вяземских известен ещё со Средневековья

Дилетант
Постельный режим Постельный режим

Мифы о сексе, которые пора забыть

Лиза
Пифагор, или Теорема с одним неизвестным Пифагор, или Теорема с одним неизвестным

«Нет ни одной детали в жизни Пифагора, которая не была бы опровергнута»

Дилетант
900 запусков ракет в космос выдержит атмосфера Земли. Далее – разрушение озонового слоя 900 запусков ракет в космос выдержит атмосфера Земли. Далее – разрушение озонового слоя

Сколько запусков ракет происходит ежегодно и как это воздействует на атмосферу?

ТехИнсайдер
Красная машина Красная машина

Советский автопром глазами ЦРУ

Автопилот
Мой первый Мой первый

Рано или поздно это произойдет: повзрослевший ребенок откроет мир любви

Psychologies
Тишина в голове: может ли человек какое-то время вообще ни о чем не думать? Тишина в голове: может ли человек какое-то время вообще ни о чем не думать?

Можем ли мы добиться абсолютной ментальной тишины в голове?

ТехИнсайдер
Фильму «Бэтмен. Начало» — 20. Как Нолан перепридумал комикс, сделал экранную супергероику серьезной Фильму «Бэтмен. Начало» — 20. Как Нолан перепридумал комикс, сделал экранную супергероику серьезной

«Бэтмен. Начало»: масштаб фильма и его влияние на массовую культуру

Правила жизни
Людмила Зыкина: «Обычного женского счастья у меня не получилось» Людмила Зыкина: «Обычного женского счастья у меня не получилось»

О народной любимице, певице Людмиле Зыкиной рассказывает журналист Олег Перанов

Коллекция. Караван историй
Правило рецидивиста Правило рецидивиста

Норма, именуемая сегодня «Правилом Миранды», существовала далеко не всегда

Дилетант
Софья Митрофанова: «Когда не было интернета, люди писали красивые письма» Софья Митрофанова: «Когда не было интернета, люди писали красивые письма»

Какой жанр Софья Митрофанова считает «идеальным побегом от реальности»

Ведомости
Королева саксов: как Этельфледа Мерсийская завоевала независимость английских земель Королева саксов: как Этельфледа Мерсийская завоевала независимость английских земель

Как женщина в IX веке сумела стать единоличной правительницей королевства?

Forbes
Как добавление специй может помочь сократить потребление пищи Как добавление специй может помочь сократить потребление пищи

Хотите сократить потребление калорий, не чувствуя себя обделенным?

ТехИнсайдер
Обновленный Volvo S90 сбросил в цене: как шведы пытаются изменить судьбу модели Обновленный Volvo S90 сбросил в цене: как шведы пытаются изменить судьбу модели

Рестайлинговый Volvo S90 похвастался радикально переработанным дизайном

ТехИнсайдер
Последняя загадка Пушкина Последняя загадка Пушкина

«Пушкин и Погорелое Городище» – тема, вынесенная на периферию пушкинистики

Знание – сила
Креативность: врождённый дар или умение? Креативность: врождённый дар или умение?

Можно ли стать креативным или нужно им родиться?

Здоровье
Слишком далеко зашли Слишком далеко зашли

Чтобы веселая экскурсия не превратилась в опасную гастроль, изучи советы юриста

VOICE
Счастье незавершенного гештальта Счастье незавершенного гештальта

Что помогает осознать предназначение и как оно создает нас?

Psychologies
Петербургские визитки Петербургские визитки

Малоизвестные факты о слишком хорошо известных местах

Weekend
Конкурсы интересные Конкурсы интересные

Как развлекали себя и окружающих на банкете или празднестве в прошлом?

Вокруг света
ИИ на страже безопасности: смогут ли нейросети бороться с хакерами ИИ на страже безопасности: смогут ли нейросети бороться с хакерами

Кто победит в этой схватке алгоритмов — защитники или взломщики?

ТехИнсайдер
Павел Попов: «Самое главное в творчестве – уйти от эгоизма» Павел Попов: «Самое главное в творчестве – уйти от эгоизма»

Павел Попов: как его изменила новая роль и что дает артисту работа в кино

Ведомости
Вот почему люди стали использовать огонь — и приготовление пищи тут не при чем Вот почему люди стали использовать огонь — и приготовление пищи тут не при чем

Исследование, перечеркнувшее привычную картину: зачем люди приручили огонь

Inc.
Как устроена young adult-литература: герои, темы и топ-жанры Как устроена young adult-литература: герои, темы и топ-жанры

Чем отличается янг-эдалт от взрослой прозы?

Maxim
Николай Кузнецов Николай Кузнецов

Николай Кузнецов — о том, что прикладная математика думает об ИИ

Собака.ru
Мария Шумакова: «Когда любишь себя, улучшаются отношения с другими людьми» Мария Шумакова: «Когда любишь себя, улучшаются отношения с другими людьми»

Мария Шумакова о трудностях, с которыми столкнулась после рождения ребёнка

Здоровье
Притяжение приставки Притяжение приставки

Родство с великими обязывает – так считают потомки Семенова-Тян-Шанского

Вокруг света
Открыть в приложении