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

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
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
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Методы тренировки: что нужно знать, занимаясь в спортзале Методы тренировки: что нужно знать, занимаясь в спортзале

Чтобы достичь цели, важно выбрать определённый метод тренировки

Cosmopolitan
Гибель без крови Гибель без крови

Нехватка продовольствия не раз становилась причиной массовой гибели людей

Дилетант
Карьерный апокалипсис: как не потерять работу после 30 лет в мире, которым правят 20-летние Карьерный апокалипсис: как не потерять работу после 30 лет в мире, которым правят 20-летние

Законы построения карьеры становятся похожи на правила венчурного мира

Forbes
Царь-птица Царь-птица

К этим гордым и боевым птицам мы относимся с поразительным пренебрежением

Популярная механика
Маргарет Этвуд: да, нет, знаю Маргарет Этвуд: да, нет, знаю

Я верю в то, что у каждого есть силы что-то изменить

Glamour
Диктатура счастья Диктатура счастья

Дания из года в год занимает верхние строчки рейтинга самых счастливых в мире

Вокруг света
6 женских недостатков, которые нравятся мужчинам 6 женских недостатков, которые нравятся мужчинам

Могут ли недостатки обернуться достоинствами?

Cosmopolitan
Самовыдвиженец Галкин. Смехотерапия как лучший способ преодолеть стресс в тяжелые времена Самовыдвиженец Галкин. Смехотерапия как лучший способ преодолеть стресс в тяжелые времена

Сравнительно недавно никто из юмористов не отваживался подкалывать Путина

СНОБ
«Вата» против «либералов», или «Рафик ни в чем не виноват». Зачем российские власти упорно повторяют украинские ошибки «Вата» против «либералов», или «Рафик ни в чем не виноват». Зачем российские власти упорно повторяют украинские ошибки

Россия твердо идет по украинской дорожке

СНОБ
Груз ответственности: как домашние обязанности приводят к истощению работающих женщин Груз ответственности: как домашние обязанности приводят к истощению работающих женщин

О том, как важно женам и мужьям делить поровну ответственность за дом и детей

Forbes
Гарик Сукачев: «Иногда нас вязали менты, да, гопники отбивали почки» Гарик Сукачев: «Иногда нас вязали менты, да, гопники отбивали почки»

Гарик Сукачев всю жизнь шел против общественного мнения­ и вкусов толпы

GQ
Как флешка ляжет Как флешка ляжет

Власти могут запретить использовать иностранные системы хранения данных

Эксперт
6 преимуществ йоги для парней (в том числе для подвигов в постели) 6 преимуществ йоги для парней (в том числе для подвигов в постели)

В последние годы все больше и больше мужчин раскатывают маты для йоги

Playboy
1993 год 1993 год

«Шоковая терапия» – так принято называть реформы, идущие весь 1993 год

Esquire
Гранит науки Гранит науки

Старое доброе «Учиться, учиться и еще раз учиться» сейчас актуально как никогда

Cosmopolitan
Еврейский транзит Еврейский транзит

О спецоперации, в которой участвовали гестапо, НКВД и японские спецслужбы

Огонёк
Удачный момент Удачный момент

Люпита Нионго — о выборе стиля, покорении Голливуда и новых проектах

Glamour
Путь «диктатора» Путь «диктатора»

Почему князь Трубецкой не пришёл на Сенатскую площадь?

Дилетант
С кем изменяют политики своим женам: от принца Чарльза до Франсуа Оланда С кем изменяют политики своим женам: от принца Чарльза до Франсуа Оланда

Вспоминаем самых известных неверных мужей из мира большой политики

Cosmopolitan
Как не стать жертвой «эффекта ореола»? Как не стать жертвой «эффекта ореола»?

Можно ли «пробиться» через однажды сформированное мнение о нас и о других

Psychologies
Как менялась игровая индустрия России: фрагмент книги Андрея Подшибякина Как менялась игровая индустрия России: фрагмент книги Андрея Подшибякина

Российская игровая индустрия не отстает по многим параметрам от общемировой

Esquire
Приложения для знакомств: при чем тут любовь? Приложения для знакомств: при чем тут любовь?

Почему так трудно найти пару онлайн и что можно с этим сделать

Psychologies
Нелепые отговорки, которые заставляют нас оставаться с нелюбимыми Нелепые отговорки, которые заставляют нас оставаться с нелюбимыми

Каждый испытывает экзистенциальную необходимость в близости с другим человеком

Psychologies
Где смотреть фильмы, которые не попадают в массовый прокат? Где смотреть фильмы, которые не попадают в массовый прокат?

Советуем ходить на кинофестивали и рассказываем про самые заметные смотры

GQ
Оника Мараж и Дестини Хоуп: как на самом деле зовут мировых знаменитостей? Оника Мараж и Дестини Хоуп: как на самом деле зовут мировых знаменитостей?

Вспомним, как на самом деле зовут любимых звезд

Cosmopolitan
Памяти Анны Карина: 4 фильма Жан-Люка Годара с участием актрисы Памяти Анны Карина: 4 фильма Жан-Люка Годара с участием актрисы

Вспоминаем лучшие фильмы Годара с участием его главной музы

GQ
Какие технологии открыли человечеству дверь в будущее Какие технологии открыли человечеству дверь в будущее

Время провести ревизию и приготовиться к следующей технологической десятилетке

РБК
Открыть в приложении