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
Жизнь Адэль: как геолог из башкирского села стала одним из самых популярных бьюти-блогеров России Жизнь Адэль: как геолог из башкирского села стала одним из самых популярных бьюти-блогеров России

Геолог Адэль Мифтахова запустила блог Don't Touch My Face

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Нейросети научились предсказывать поведение генов: борьба с раком Нейросети научились предсказывать поведение генов: борьба с раком

Как в живой клетке будут работать гены, если изменится ее состояние

Популярная механика
Четыре лика империи Четыре лика империи

Как землетрясение повлияло на нынешний облик малых городов Италии

Вокруг света
Папины дочки: как воспитаны и чем занимаются Алеся Кафельникова, Лиза Пескова и Даша Тинькова Папины дочки: как воспитаны и чем занимаются Алеся Кафельникова, Лиза Пескова и Даша Тинькова

О деньгах, «золотой молодежи», строгих отцах и собственной карьере девушек

Forbes
Страдания юных веганов Страдания юных веганов

Хроника мучений первых вегетарианцев в России

Weekend
«Джентльмены» — лучший фильм Гая Ричи за много лет «Джентльмены» — лучший фильм Гая Ричи за много лет

Esquire рассказывается, почему эта картина вам обязательно понравится

Esquire
Luxor короче! Luxor короче!

Мы запланировали большое интервью, но Артур Шмыгин живет в скоростном режиме

Playboy
Кино без попкорна: 8 лучших фильмов про экологию Кино без попкорна: 8 лучших фильмов про экологию

Что будет с планетой спустя час с момента исчезновения человечества

РБК
Квартира холостяка, 72 м² Квартира холостяка, 72 м²

Квартира в цветовой гамме нормандских городков

AD
Квартира дизайнера, 47 м² Квартира дизайнера, 47 м²

Квартира, выполненная в ярких марокканских цветах

AD
«Помирать на работе — неправильно». Карьерные советы главы IBS «Помирать на работе — неправильно». Карьерные советы главы IBS

Карьера 18-летней Светланы Балановой началась на заре перестройки

Forbes
Трезвый подход к романтическим отношениям: советы коуча Трезвый подход к романтическим отношениям: советы коуча

В начале романтических отношений мы часто теряем голову

Psychologies
Как быстро чему-то научиться? 5 главных правил, чтобы освоить любой навык Как быстро чему-то научиться? 5 главных правил, чтобы освоить любой навык

Только представь: ты можешь научиться практически всему

Playboy
Влад Кадони: «Секс с Ольгой Орловой? Присутствует!» Влад Кадони: «Секс с Ольгой Орловой? Присутствует!»

Телеведущий Влад Кадони рассказал, почему до сих пор не женат

StarHit
Квартира фотографа, 82 м² Квартира фотографа, 82 м²

Брутальный интерьер квартиры наполнен винтажной мебелью

AD
Михаил Боярский: «Внук понял, в какую сумасшедшую семью попал» Михаил Боярский: «Внук понял, в какую сумасшедшую семью попал»

Актер откровенно об ошибках и главных женщинах в своей жизни

StarHit
Непростые решения: когда близкий человек психически болен Непростые решения: когда близкий человек психически болен

Как помочь психическим больному человеку?

Psychologies
Душеполезное и душегубительное Душеполезное и душегубительное

Как Андрей Котов «присвоил себе» древнерусскую духовную песню

Русский репортер
Диана Арбенина: «Самый веселый новогодний концерт мы дали для подвыпившей дамы» Диана Арбенина: «Самый веселый новогодний концерт мы дали для подвыпившей дамы»

Диана Арбенина – о том, что делает жизнь женщины максимально осмысленной

Cosmopolitan
Не та Осетия: чем заняться туристу в не признанной почти никем республике Не та Осетия: чем заняться туристу в не признанной почти никем республике

Самобытный маршрут из Северной Осетии в Южную

РБК
Итоги года: Июль, август, сентябрь Итоги года: Июль, август, сентябрь

Forbes представляет итоги 2019 года

Forbes
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Нормальный замес Нормальный замес

Будет ли выпечка вкусной, зависит от множества неважных на первый взгляд нюансов

Добрые советы
13 книг, которые примиряют с жизнью 13 книг, которые примиряют с жизнью

Эти книги могут вызвать улыбку или слезы, и далеко не все из них — легкое чтиво

Psychologies
Эмилия Кларк, актриса Эмилия Кларк, актриса

Эмилия Кларк – главная кинозвезда грядущего десятилетия

Худеем правильно
Звёзды, которые скрывали смертельный диагноз — от Мирославы Думы до Эмилии Кларк Звёзды, которые скрывали смертельный диагноз — от Мирославы Думы до Эмилии Кларк

В мире, где балом правит успех, мало кто хочет выглядеть жалким и несчастным

Cosmopolitan
Испанская тетрадь: Владимир Познер о самоцензуре, долге священника, врача и журналиста Испанская тетрадь: Владимир Познер о самоцензуре, долге священника, врача и журналиста

Отрывок из книги Владимира Познера «Испанская тетрадь. Субъективный взгляд»

Forbes
Десятки миллиардов рублей на поддержку малого бизнеса были потрачены напрасно Десятки миллиардов рублей на поддержку малого бизнеса были потрачены напрасно

Миллиардные траты на поддержку малого бизнеса не принесли пользы

Forbes
Открыть в приложении