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

«У нас нет хлеба, мы умираем» «У нас нет хлеба, мы умираем»

Массовый голод с человеческими жертвами в СССР случался неоднократно

Дилетант
Почему стоит посмотреть сериал «Чернобыль» Почему стоит посмотреть сериал «Чернобыль»

Публикуем главу об одном из самых нашумевших сериалов этого года — «Чернобыле»

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Как полюбить спорт: 9 правил от спортсменов Как полюбить спорт: 9 правил от спортсменов

Как научиться находить внутреннюю силу — не только в спорте

Esquire
Дакота-блюз Дакота-блюз

Жарким летним деньком мы отправились за сцену к певице Рите Дакоте

Maxim
Начну с понедельника! Начну с понедельника!

Сейчас самое время обзавестись полезными привычками, как это делают наши звёзды

Здоровье
Лики Вики Лики Вики

До съемки в нашем презренном журнале снизошла богиня «Инстаграма» Вики Одинцова

Maxim
Цифровые джинны: как поменяют жизнь людей виртуальные ассистенты Цифровые джинны: как поменяют жизнь людей виртуальные ассистенты

Цифровые помощники способны помочь в решении почти любой проблемы

РБК
Чудо на льду: как российские фигуристки покоряют мир фигурного катания Чудо на льду: как российские фигуристки покоряют мир фигурного катания

Как женское фигурное катание стало в России главным олимпийским видом спорта

Esquire
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
Голубая мечта «Зеленых»: удастся ли человечеству сохранить планету для будущих поколений Голубая мечта «Зеленых»: удастся ли человечеству сохранить планету для будущих поколений

Климатическая проблема — самая глобальная из всех проблем человечества

РБК
Молодильные яблоки: польза и вред фруктов для организма Молодильные яблоки: польза и вред фруктов для организма

Мы привыкли считать, что фрукты – это кладезь витаминов. Так ли это?

Cosmopolitan
«Модные магазины в России диктуют условия брендам». Суровые будни российского производителя «Модные магазины в России диктуют условия брендам». Суровые будни российского производителя

Ирина Батькова дает советы начинающим дизайнерам

Forbes
Кукурузные хлопья для борьбы с мастурбацией: как появились знакомые нам продукты Кукурузные хлопья для борьбы с мастурбацией: как появились знакомые нам продукты

Откуда появились эти блюда, из чего раньше делались и как стали популярными

Популярная механика
Получи гиперборейский паспорт! Получи гиперборейский паспорт!

Самый желанный сувенир можно привезти из путешествия по Кольскому полуострову

Дилетант
20 самых высокооплачиваемых тренеров в американском спорте 20 самых высокооплачиваемых тренеров в американском спорте

Рейтинг самых высокооплачиваемых наставников американских спортивных клубов

Forbes
Фолиевая кислота: для чего нужна мужчинам и в каких продуктах содержится Фолиевая кислота: для чего нужна мужчинам и в каких продуктах содержится

Фолиевая кислота — для чего она нужна мужчинам

Playboy
Зачем нужен научпоп? Послесловие к сетевому скандалу Зачем нужен научпоп? Послесловие к сетевому скандалу

Обязательно ли для того, чтобы писать в жанре научпоп, быть учёным?

СНОБ
Квартира с элементами ар‑деко, 77 м² Квартира с элементами ар‑деко, 77 м²

В квартире царят характерные для 1920-х годов латунь, мрамор и зеркала

AD
Екатерина Решетникова: «Стыдно за то, что бываю несдержанной» Екатерина Решетникова: «Стыдно за то, что бываю несдержанной»

Хореограф шоу «Танцы» на ТНТ о сестре-близнеце и звонке Владимира Путина

StarHit
Электронные сигареты. Запретить нельзя разрешить Электронные сигареты. Запретить нельзя разрешить

О том, где поставить запятую, сейчас гадают не только врачи и учёные

Здоровье
Деньги на тяге к знаниям: внучка экс-губернатора создала бизнес на $1 млрд, помогая работникам корпораций получать дипломы Деньги на тяге к знаниям: внучка экс-губернатора создала бизнес на $1 млрд, помогая работникам корпораций получать дипломы

Стартап Рейчел Карлсон оценивается в $1 млрд

Forbes
Девушка-фиалка: как выбрать идеальный фиолетовый цвет волос Девушка-фиалка: как выбрать идеальный фиолетовый цвет волос

Фиолетовый издавна считался королевским цветом и был овеян ореолом мистики

Cosmopolitan
Не смешно: скрытая боль «улыбчивой» депрессии Не смешно: скрытая боль «улыбчивой» депрессии

За маской веселости могут скрываться печаль, боль, страх и тревога

Psychologies
Квартира для любителя сложных цветов, 41 м² Квартира для любителя сложных цветов, 41 м²

Сине-зеленые оттенки стали акцентными в этом проекте

AD
Итоги года: Июль, август, сентябрь Итоги года: Июль, август, сентябрь

Forbes представляет итоги 2019 года

Forbes
Мастермайнд. Зачем крупные бизнесмены раз в месяц запираются от внешнего мира Мастермайнд. Зачем крупные бизнесмены раз в месяц запираются от внешнего мира

Мастермайнд — это очень важный и сильный инструмент личностного развития

Forbes
От Хвалынска до Холуя: 7 самых интересных малых городов России От Хвалынска до Холуя: 7 самых интересных малых городов России

Уникальные истории малых городов России

Forbes
Гибрид смартфона и пиявки. Как РОСНАНО популяризирует науку через искусство Гибрид смартфона и пиявки. Как РОСНАНО популяризирует науку через искусство

Какое именно искусство будет повышать престиж естественных наук среди молодежи

СНОБ
Глюк’oZa: «Миримся с мужем всегда быстро и приятно» Глюк’oZa: «Миримся с мужем всегда быстро и приятно»

После длительного перерыва певица снова влилась в шоу-бизнес

StarHit
Открыть в приложении