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

Мы из будущего Мы из будущего

Кто же такие эти промт-дизайнеры или AI-тренеры?

ТехИнсайдер
Опять и опять «Назад в будущее» Опять и опять «Назад в будущее»

Краткая история ленты «Назад в будущее», вырастившей последнее поколение XX века

Weekend
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
Обнаружено, что верблюжье молоко уменьшает тяжесть астмы Обнаружено, что верблюжье молоко уменьшает тяжесть астмы

Как употребление верблюжьего молока снижает тяжесть астмы

ТехИнсайдер
Иоганн Вольфганг фон Гёте: место Иоганн Вольфганг фон Гёте: место

Гёте — классик, романтик, гений эпохи романтизма

Знание – сила
Социально-платформенное страхование Социально-платформенное страхование

Социальное страхование в России не отвечает потребностям современной экономики

Ведомости
Шестой и чувства Шестой и чувства

Что есть «Москвич 6»

Автопилот
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
Настроение «каникулы»: как почувствовать себя в отпуске, если до него далеко Настроение «каникулы»: как почувствовать себя в отпуске, если до него далеко

Как создать себе приятную иллюзию отпуска, если до заветных дат еще работать

Правила жизни
Гелий Гелий

Известно, что каждый элемент имеет свой, только ему одному принадлежащий спектр

Наука и жизнь
Отпускная косметичка Отпускная косметичка

Как позаботиться о своей красоте в отпускной период

Лиза
Нежелательных бобров переселили на умирающую реку в пустыне. Через 6 лет она превратилась в зеленый оазис Нежелательных бобров переселили на умирающую реку в пустыне. Через 6 лет она превратилась в зеленый оазис

Почему бобры – яркий пример того, что экологи называют «ключевыми видами»

ТехИнсайдер
Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу» Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу»

Вдруг все мои достижения, все мои роли — это лишь случайность?

Коллекция. Караван историй
Банкротство ИП: от долгов к новому старту Банкротство ИП: от долгов к новому старту

Как проходит банкротство ИП: от условий проведения процедуры до списания долгов

Inc.
Рожденные революцией Рожденные революцией

Как технологическая революция полностью изменит привычные нам гаджеты

Правила жизни
В ожидании Меркурия В ожидании Меркурия

Меркурий единственная планета Солнечной системы без атмосферы с магнитным полем

Наука и жизнь
Свеклосахарная отрасль теряет маржу Свеклосахарная отрасль теряет маржу

Валовой сбор сахарной свеклы в этом году, вероятно, будет выше, чем в прошлом

Агроинвестор
Несчастные случаи, нарушение техники безопасности и халатность: 7 самых страшных промышленных катастроф в мире Несчастные случаи, нарушение техники безопасности и халатность: 7 самых страшных промышленных катастроф в мире

Когда на фабриках и заводах случались серьезные катастрофы

ТехИнсайдер
Правила жизни Тома Хэнкса Правила жизни Тома Хэнкса

Правила жизни актера Тома Хэнкса

Правила жизни
Пластик, металл, стекло: какая посуда подходит для микроволновки Пластик, металл, стекло: какая посуда подходит для микроволновки

Какая посуда безопасна для микроволновки, а от какой лучше отказаться?

CHIP
Вековые традиции Вековые традиции

Не получается нарисовать стрелки, а тени сразу скатываются?

Лиза
Квас vs кефир Квас vs кефир

Окрошка: история и секреты любимого освежающего русского супа

Лиза
Ольга Варцева: «Далеко не каждая книга выдерживает перечитывание» Ольга Варцева: «Далеко не каждая книга выдерживает перечитывание»

«Прежде чем идти к психологу, почитайте чью-нибудь автобиографию»

Ведомости
В палеолитическом пещерном святилище впервые нашли голубые краски В палеолитическом пещерном святилище впервые нашли голубые краски

Люди эпохи верхнего палеолита пользовались красками голубых оттенков

N+1
Бесспорный авторитет Бесспорный авторитет

Федор Мартенс — юрист и дипломат на службе мира

Санкт-Петербургский университет
Гибель «Титаника»: русское эхо трагедии Гибель «Титаника»: русское эхо трагедии

Как гибель «Титаника» отразилась на русских прессе и обществе?

Дилетант
Из портов на биржу Из портов на биржу

Угольщики стремятся расширить сбыт на внутреннем рынке на фоне падения экспорта

Ведомости
Разбор провальных технологий: технопатологоанатом Разбор провальных технологий: технопатологоанатом

Истории, которые могли бы стать прорывными, но так и не стали

ТехИнсайдер
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
Никаких шлепок и свадебных платьев: какой дресс-код советуют соблюдать музеи и театры Никаких шлепок и свадебных платьев: какой дресс-код советуют соблюдать музеи и театры

Какие рекомендации по выбору одежды мировые театры и музеи дают посетителям

Forbes
Открыть в приложении