Нобелевка по химии 2019 года присуждена за разработку литий-ионных аккумуляторов

Наука и жизньНаука

Аккумуляторы, изменившие жизнь

Доктор химических наук Татьяна Кулова, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.

Нобелевская премия по химии 2019 года присуждена Джону Гуденафу (John Goodenough), Майклу Стэнли Уиттингему (M. Stanley Whittingham) и Акире Ёсино (Akira Yoshino) «за разработку литий-ионных аккумуляторов». Как указал Нобелевский комитет, «своей работой они создали условия для беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива, и тем самым принесли человечеству огромную пользу».

История химических источников тока насчитывает более двухсот лет. Нобелевские премии присуждают уже 119 лет, но только в этом, 2019 году Нобелевская премия по химии была присуждена за создание литий-ионных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время — наиболее популярные перезаряжаемые источники энергии благодаря своим уникальным характеристикам: высокой удельной энергии, то есть способности работать долгое время без подзарядки, длительному сроку службы, достигающему 2000 циклов заряда-разряда, и высокому напряжению, превышающему почти в два раза напряжение, например, свинцово-кислотных аккумуляторов. Первоначально литий-ионные аккумуляторы были предназначены исключительно для питания портативных приборов, но в последнее время рассматривается вопрос об их применении в различных видах транспорта и стационарных накопителях энергии.

Созданию литий-ионных аккумуляторов предшествовало изобретение литиевых аккумуляторов — электрохимических систем с металлическим литиевым отрицательным электродом. Ясно, что в таких устройствах нельзя было использовать водные электролиты. Литий — активный щелочной металл, который при взаимодействии с водой или водным электролитом бурно реагирует с образованием гидроксида лития и водорода. Эта реакция необратимая, то есть идёт только в одну сторону, а для работы аккумулятора необходимо многократное протекание реакции на электродах в прямом и обратном направлениях. Электролит литиевого аккумулятора представляет собой раствор соли лития в органическом растворителе. При контакте органического растворителя с металлическим литием на поверхности последнего образуется особый защитный слой, так называемая пассивная плёнка, которая обеспечивает в дальнейшем многократное протекание реакции растворения и осаждения лития. Наиболее известные примеры таких аккумуляторов — системы «литий — дисульфид титана» или «литий — дисульфид молибдена». В таких аккумуляторах положительным электродом служит дисульфид титана или дисульфид молибдена.

Именно эти материалы синтезировал один из лауреатов Нобелевской премии по химии 2019 года — Майкл Уиттингем. Ещё в 1970 году он обнаружил, что матрица дисульфида титана или дисульфида молибдена способна обратимо интеркалировать (включать в себя) ионы лития, которые встраивались в кристаллическую решётку при разряде аккумулятора и экстрагировались из неё при заряде. Таким образом, была показана принципиальная возможность синтеза материалов, способных обратимо интеркалировать ионы лития. Напряжение такого аккумулятора было невелико (около 2,3 В), но всё же выше, чем напряжение источников тока с водными электролитами. Основная проблема для такой системы заключалась в работе отрицательного электрода — металлического лития. При заряде подобного аккумулятора на отрицательном электроде протекает процесс осаждения лития и последний, как правило, осаждается в виде так называемых дендритов — металлических усов, которые, достигая длины нескольких микрон, способны проколоть сепаратор, разделяющий электроды, и привести к короткому замыканию между катодом и анодом. Короткое замыкание, в свою очередь, вызовет разогрев, воспламенение и взрыв аккумулятора. Именно по этой причине такие литиевые аккумуляторы не получили широкого развития.

В 1980 году профессор Джон Гуденаф с сотрудниками синтезировал литированный оксид кобальта (LiCoO2) и показал возможность обратимой электрохимической экстракции ионов лития, что было принципиально для создания литий-ионных аккумуляторов. Кристаллическая решётка синтезированного материала содержала ионы лития, находящиеся между слоями CoO6. Такая слоистая структура позволяла извлекать ионы лития из LiCoO2 при наложении анодного тока и внедрять их обратно при катодной нагрузке. Первые эксперименты по обратимой экстракции лития из LiCoO2 были проведены в паре с металлическим литием (противоэлектродом); по сути, это был литиевый аккумулятор, аналогичный ранее предложенному Майклом Уиттингемом, но с другим положительным электродом.

Преимущество литированного оксида кобальта по сравнению, например, с дисульфидом титана заключалось в том, что обратимый процесс внедрения-экстракции лития протекал при потенциалах около 4 В, что более чем на 1,5 В выше потенциала процесса обратимого внедрения — экстракции лития в дисульфид титана или дисульфид молибдена. Из школьной программы известно, что напряжение источника тока равно разности между потенциалами катода и анода, поэтому очевидно, что использование LiCoO2 в качестве катода даёт увеличение напряжения источника тока. Однако в электрохимической системе с металлическим литием это ещё больше повышало вероятность воспламенения аккумулятора в случае короткого замыкания из-за роста дендритов на литии. Именно поэтому электрохимики пытались найти другой материал для отрицательного электрода, который был бы способен обратимо аккумулировать литий при достаточно низких потенциалах.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Побег с аэродрома Побег с аэродрома

Циклолеты – «летающие комбайны» – становятся экономичнее квадрокоптеров

Популярная механика
«Днем лыжи — вечером ванны». Интервью с главой Северной Осетии Вячеславом Битаровым о туризме в республике «Днем лыжи — вечером ванны». Интервью с главой Северной Осетии Вячеславом Битаровым о туризме в республике

Как Северная Осетия планирует увеличить турпоток на местные туристические базы?

СНОБ
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«Людям запретят водить машины»: чем займется «Яндекс.Такси» после смены гендиректора и почему компании не страшен Сбербанк «Людям запретят водить машины»: чем займется «Яндекс.Такси» после смены гендиректора и почему компании не страшен Сбербанк

Даниил Шулейко — о западной экспансии и секретах своей карьеры

Forbes
Дэниел Крейг: “У кого-то другого трава всегда зеленее. Это разрушает” Дэниел Крейг: “У кого-то другого трава всегда зеленее. Это разрушает”

Что значит мужественность для Дэниела Крейга

Psychologies
«Окей, бумер»: почему разные поколения так раздражают друг друга «Окей, бумер»: почему разные поколения так раздражают друг друга

Почему мы, на самом деле, просто не умеем друг с другом общаться

Forbes
Перевал Перевал

С момента гибели туристов из группы Игоря Дятлова прошло больше полувека

Популярная механика
Как получить лицензионную Windows 10 бесплатно Как получить лицензионную Windows 10 бесплатно

Последняя версия самой популярной операционной системы прошла проверку временем

Популярная механика
«Пошлю его на...»: звезды, которые остроумно отвечают хейтерам в соцсетях «Пошлю его на...»: звезды, которые остроумно отвечают хейтерам в соцсетях

Селебрити по-разному реагируют на троллинг и хейт в социальных сетях

Cosmopolitan
Ты и есть мечта Ты и есть мечта

Практика для реализации высшего потенциала от мирового лидера Кундалини-йоги

Yoga Journal
10 признаков, что тебе пора искать новую работу (так будет лучше) 10 признаков, что тебе пора искать новую работу (так будет лучше)

10 тревожных признаков, что тебе пора начинать искать новое место

Playboy
Шеф-повар Мошик Рот — о русских поварах, свекле и отсутствии правил Шеф-повар Мошик Рот — о русских поварах, свекле и отсутствии правил

Об управлении мишленовским рестораном и кулинарных секретах своей бабушки

РБК
Брендам здесь не место: почему после введения антисанкций в России перестали появляться новые сильные марки Брендам здесь не место: почему после введения антисанкций в России перестали появляться новые сильные марки

От чего же зависит успех нового бренда?

Forbes
Алый театр Алый театр

Эмма Уотсон о фильме «Маленькие женщины», борьбе за равенство и одиночестве

Vogue
Чувствительный вопрос Чувствительный вопрос

Как минимизировать этот дискомфорт для чувствительной кожи зимой

Худеем правильно
Квартира фотографа, 82 м² Квартира фотографа, 82 м²

Брутальный интерьер квартиры наполнен винтажной мебелью

AD
Набиуллина, Бейонсе и Грета. Самые влиятельные женщины мира по версии Forbes Набиуллина, Бейонсе и Грета. Самые влиятельные женщины мира по версии Forbes

В 2019 году женщины во всем мире громко заявляли о себе

Forbes
Матч-пойнт Матч-пойнт

Саша Бортич живет так, как будто у нее есть волшебный маховик времени

OK!
К какой роскоши тяготеют диктаторы К какой роскоши тяготеют диктаторы

Век большинства диктаторов короткий, но яркий

GQ
Кольская кладовая Кольская кладовая

Кольский полуостров богат сказочно, фантастически

Дилетант
Квартира дизайнера, 47 м² Квартира дизайнера, 47 м²

Квартира, выполненная в ярких марокканских цветах

AD
7 вопросов Михаилу Дмитриеву, экономисту 7 вопросов Михаилу Дмитриеву, экономисту

О том, что принесет 2020 год российской экономике и рядовому кошельку

Русский репортер
Ставим на красное Ставим на красное

Как выбрать настоящую качественную красную икру?

Лиза
Главные герои света Главные герои света

«Татлер» обновляет а-лист каждый год: часть 1

Tatler
Как из одного бара с тремя столами создать компанию с выручкой  500 млн рублей? Бизнес-план сети «Винный базар» Как из одного бара с тремя столами создать компанию с выручкой  500 млн рублей? Бизнес-план сети «Винный базар»

Евгения Качалова: как создать успешный винный бар и масштабировать этот бизнес

Forbes
Надо брать и делать Надо брать и делать

Что такое успех? Где брать для этого силы? Своим опытом поделился Иван Привалов

Лиза
Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask? Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask?

Фрагмент из новой книги Игоря Савельева

СНОБ
Скандинавия на велосипеде: история одного путешествия Скандинавия на велосипеде: история одного путешествия

Отправиться в велопоездку по Скандинавии и почти за две недели преодолеть 830 км

РБК
Наталья Якимчик: «Я не хочу ничего доказывать!» Наталья Якимчик: «Я не хочу ничего доказывать!»

Дизайнер и основательница бренда Natayakim Наталья Якимчик отвечает на вопросы

Grazia
Как живут там, где почти никто не живет: темная сторона биосферы Как живут там, где почти никто не живет: темная сторона биосферы

Жизнь существует даже в горячих и лишенных кислорода недрах Земли

Популярная механика
Открыть в приложении