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

Величавый коровяк Величавый коровяк

Величавый коровяк: высокий, стройный, мощный, прочно вросший в землю

Наука и жизнь
Как проверить совместимость видеокарты и материнской платы Как проверить совместимость видеокарты и материнской платы

Основные нюансы о слоте PCI-Express, которые должен знать каждый пользователь

CHIP
Сплю и вижу Сплю и вижу

Зачем человеку сны и почему они иногда кажутся вещими?

Вокруг света
Милана Тюльпанова «Саша не умеет прощать» Милана Тюльпанова «Саша не умеет прощать»

Бывшая жена Кержакова о холодной войне с футболистом и помощи женщинам

StarHit
Биология эльфов Биология эльфов

Чем эльфам пришлось бы «пожертвовать» в обмен на вечную жизнь?

Вокруг света
Как изучение английского поможет развить креативность Как изучение английского поможет развить креативность

Изучение иностранного языка повышает скорость и гибкость мышления

Psychologies
Хватит скромничать! Хватит скромничать!

Стеснительность препятствует стремлению к счастью и успеху

Playboy
Квартира с богемной обстановкой, 63 м² Квартира с богемной обстановкой, 63 м²

Дизайнер не только оформила интерьер, но и написала картины для него

AD
Что заставляет нас постоянно думать о худшем и все перепроверять? Что заставляет нас постоянно думать о худшем и все перепроверять?

Как вернуть доверие к самому главному человеку в своей жизни — самому себе

Psychologies
Игра света! Игра света!

Глава компании «ИЛЛЮМИНАРИЙ3000» о том, почему световой дизайн так востребован

Cosmopolitan
Сама себе лекарь: как быстро вылечить простуду на губе Сама себе лекарь: как быстро вылечить простуду на губе

Герпес, обветренная кожа и болячки в уголках губ – неприятно и болезненно

Cosmopolitan
Когда позитивные эмоции вредны Когда позитивные эмоции вредны

Теневые стороны есть и у позитивных эмоций

Psychologies
Только для вас Только для вас

17 уникальных предметов, путешествий и впечатлений для читателей Robb Report

Robb Report
Зима и воля: история русского полярника-метеоролога Вячеслава Короткого, который много лет живет на крайнем севере России Зима и воля: история русского полярника-метеоролога Вячеслава Короткого, который много лет живет на крайнем севере России

Вячеслава Короткого называют "самым одиноким человеком на планете"

Esquire
Что нужно знать о здоровье печени: 7 важных вопросов Что нужно знать о здоровье печени: 7 важных вопросов

Болезни печени врачи часто называют тихим убийцей и часовой бомбой

Популярная механика
Провал DARPA: одна из самых больших ошибок в истории науки Провал DARPA: одна из самых больших ошибок в истории науки

Эта бомба могла стать самой мощной в истории неядерных взрывных устройств

Популярная механика
Алексей Турчин: «В этом веке решится судьба человечества» Алексей Турчин: «В этом веке решится судьба человечества»

Развитие искусственного интеллекта сделает нас бессмертными либо убьет

РБК
Подарок как символ любви, понимания и признания Подарок как символ любви, понимания и признания

Зачем мы делаем подарки и как их правильно выбирать и дарить

Psychologies
Душеполезное и душегубительное Душеполезное и душегубительное

Как Андрей Котов «присвоил себе» древнерусскую духовную песню

Русский репортер
В горе и в радости В горе и в радости

Одна из долин в итальянских Альпах принадлежит религиозной общине

Esquire
Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах

Почему нужно бороться с ложными лингвистическими теориями и что не так с ЕГЭ?

РБК
Главный по тарелочкам Главный по тарелочкам

Мишель Бернардо — о семейных традициях дома и на работе

Vogue
Полипропилен или металлопластик: что лучше для водопровода и отопления? Полипропилен или металлопластик: что лучше для водопровода и отопления?

Сравниваем плюсы и минусы каждого материала

CHIP
Путин из чистого золота: как нижегородец заработал миллионы на драгоценных смартфонах с патриотичным дизайном Путин из чистого золота: как нижегородец заработал миллионы на драгоценных смартфонах с патриотичным дизайном

Сергей Китов построил бизнес на любителях «тяжелого люкса»

Forbes
Дмитрий Ульянов: «На сцене и в жизни я абсолютно разный» Дмитрий Ульянов: «На сцене и в жизни я абсолютно разный»

Когда узнают на улице и подходят, не сказать, что страшно радуюсь

Караван историй
Даёшь рельеф: сушка тела в домашних условиях Даёшь рельеф: сушка тела в домашних условиях

Как избавиться от лишнего объема и смоделировать силуэт мечты без спортзала

Cosmopolitan
Топ-9 важных видеоигр десятилетия, перевернувших индустрию (и даже мир) Топ-9 важных видеоигр десятилетия, перевернувших индустрию (и даже мир)

За последнее десятилетие игры и отношение к ним изменились навсегда

Playboy
Федор Бондарчук — о новом российском кино, технике и Александре Петрове Федор Бондарчук — о новом российском кино, технике и Александре Петрове

Каким было уходящее десятилетие и чего не хватает в российском кино?

РБК
Как выбрать лучшего китайского поставщика из нескольких подходящих Как выбрать лучшего китайского поставщика из нескольких подходящих

Отрывок из книги-пособия по работе с поставщиками

СНОБ
Расцвет крафта и коктейли в Instagram: Bloomberg назвал главные алкогольные тренды десятилетия Расцвет крафта и коктейли в Instagram: Bloomberg назвал главные алкогольные тренды десятилетия

Прошлое десятилетие заметно изменило алкогольный рынок

Forbes
Открыть в приложении