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

Жатва Гиппократа Жатва Гиппократа

Что нового в медицине в последние 20 лет начавшегося века

Maxim
18 алкогольных игр, чтобы напиться с выдумкой и азартом 18 алкогольных игр, чтобы напиться с выдумкой и азартом

Реестр алкогольных игр растет, а правила усложняются

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Принцесса специй Принцесса специй

Специи могут защитить сосуды и помочь пищеварению

Худеем правильно
«Убойный завод» начала нэпа «Убойный завод» начала нэпа

Василий Комаров - убийца, жертвами которого стали более 30 человек

Дилетант
Что такое шейпинг: виды, упражнения, программа тренировок Что такое шейпинг: виды, упражнения, программа тренировок

Шейпинг поможет достичь женственной фигуры без чрезмерной мышечной массы

Cosmopolitan
5 новых технологий, которые радикально изменят современный автопром 5 новых технологий, которые радикально изменят современный автопром

Современные автомобили давно стали гаджетами на колесах. Но что впереди?

РБК
В поисках качественного топлива: как выбрать АЗС с лучшим бензином В поисках качественного топлива: как выбрать АЗС с лучшим бензином

Согласно последним данным Росстандарта, проблемы с российскими АЗС есть

Популярная механика
Как несчастный случай помог американцу к 25 годам создать компанию, которая вступила в борьбу за $25 млрд Как несчастный случай помог американцу к 25 годам создать компанию, которая вступила в борьбу за $25 млрд

Карр любит говорить о том, что миссия компании — спасать жизни

Forbes
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
Photoshop для чайников: как кайтсерфинг помог создать компанию стоимостью $3,2 млрд вдали от Кремниевой долины Photoshop для чайников: как кайтсерфинг помог создать компанию стоимостью $3,2 млрд вдали от Кремниевой долины

Мелани Перкинс запустила стартап, который конкурирует с Adobe и Microsoft

Forbes
«Николай I: Дон Кихот самодержавия» «Николай I: Дон Кихот самодержавия»

Несмотря на все старания, Николай I привёл Россию к поражению в Крымской войне

Дилетант
Ископаемая устойчивость Ископаемая устойчивость

Доля возобновляемых источников энергии растет в российском энергобалансе

РБК
Как встретить Новый год по-дореволюционному Как встретить Новый год по-дореволюционному

Исторический опыт, который подскажет, как чудить на новый год с фантазией

Maxim
Уральский экстрим: как бизнесмены из Екатеринбурга создали лидера на рынке экипировки Уральский экстрим: как бизнесмены из Екатеринбурга создали лидера на рынке экипировки

Ранее о бренде Dragonfly мало кто знал, но выручка компании выросла в шесть раз

Forbes
Одиссея судна «Академик М. А. Лаврентьев»: как исследуют Тихий океан Одиссея судна «Академик М. А. Лаврентьев»: как исследуют Тихий океан

Кому как не России быть лидером в изучении Северного Ледовитого и Тихого океанов

Популярная механика
Почему мы клонируем наших бывших? Почему мы клонируем наших бывших?

Мы склонны завязывать отношения с мужчинами и женщинами одного и того же типа

Psychologies
Овечкин, Панарин и еще восемь самых высокооплачиваемых хоккеистов в НХЛ. Рейтинг Forbes Овечкин, Панарин и еще восемь самых высокооплачиваемых хоккеистов в НХЛ. Рейтинг Forbes

Forbes опубликовал рейтинг самых высокооплачиваемых хоккеистов в НХЛ

Forbes
Страны-загадки Страны-загадки

У каждой эпохи была своя «Нетландия» — несуществующая земля

Дилетант
Основатель центра М.О.С.Т. — о ретро-автомобилях и машине Сергея Шнурова Основатель центра М.О.С.Т. — о ретро-автомобилях и машине Сергея Шнурова

Сколько стоит входной билет в мир кастомайзинга и как выживают коллекционеры

РБК
Евгения Медведева: Вдохновение, чтобы кататься на коньках, у меня есть всегда Евгения Медведева: Вдохновение, чтобы кататься на коньках, у меня есть всегда

Интервью с двукратной чемпионкой мира Евгенией Медведевой

СНОБ
«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
Арабские бдения. Как российские бизнесмены собираются осваивать восточный рынок Арабские бдения. Как российские бизнесмены собираются осваивать восточный рынок

Как российские креативщики помогают коллегам выходить на арабский рынок

СНОБ
Революция тела: тренировки Джиллиан Майклс для стройной фигуры Революция тела: тренировки Джиллиан Майклс для стройной фигуры

Легендарные тренировки от Джиллиан Майклс для стройной и подтянутой фигуры

Cosmopolitan
Регенеративная медицина: будущее уже здесь Регенеративная медицина: будущее уже здесь

Общественность говорит о новой междисциплинарной науке - регенеративной медицине

Популярная механика
11 технологических провалов этого десятилетия, о которых важно знать 11 технологических провалов этого десятилетия, о которых важно знать

Одиннадцать самых главных технологических провалов последнего десятилетия

Playboy
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
Каково это — бросить прибыльный бизнес и открыть сеть кулинарных студий по всему миру Каково это — бросить прибыльный бизнес и открыть сеть кулинарных студий по всему миру

О геймификации и экономике впечатлений как о современной тенденции на рынке

Esquire
Я не стар, я суперстар: самые горячие звездные дедушки Я не стар, я суперстар: самые горячие звездные дедушки

Сложно поверить в то, что эти симпатичные мужчины гордо называют себя дедушками

Cosmopolitan
Мистер Хитмен Мистер Хитмен

За что мы так любим Робби Уильямса

Glamour
Открыть в приложении