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

Загадка Дарвинского заповедника Загадка Дарвинского заповедника

Могли ли против правил писать и в методической литературе?

Наука и жизнь
Квартира со скрытыми объемами, 54 м² Квартира со скрытыми объемами, 54 м²

В этой квартире кухня и спальня спрятаны за деревянными панелями

AD
Соучастники космоса Соучастники космоса

Как и зачем запускают совместные космические миссии? Рассказывает Натан Эйсмонт

Монокль
Квартира с тайным спальным местом, 63 м² Квартира с тайным спальным местом, 63 м²

Квартира–перевалочный пункт для хозяина, который много путешествует

AD
Загранпаспорт за полную цену Загранпаспорт за полную цену

Это письмо было получено в 1926 году Екатериной Павловной Пешковой

Дилетант
Вернуть былое величие: убираем царапины на автомобиле своими руками Вернуть былое величие: убираем царапины на автомобиле своими руками

Если вы используете машину, то избежать появления царапин на кузове невозможно

Популярная механика
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
«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
ОРЗ: несерьезная болезнь? ОРЗ: несерьезная болезнь?

ОРЗ может дать множество осложнений, что совсем нежелательно для будущей мамы

9 месяцев
Смотреть фото и видео с милыми животными полезно для мозга Смотреть фото и видео с милыми животными полезно для мозга

В наших силах — найти «антидот» на просторах интернета

Psychologies
Невероятная история инсулина: как спасти миллионы людей Невероятная история инсулина: как спасти миллионы людей

История инсулина – фантастический сюжет о том, как делаются научные открытия

Популярная механика
Как выбрать красную икру в жестяных банках и на развес: 6 главных правил Как выбрать красную икру в жестяных банках и на развес: 6 главных правил

Как выбрать красную и черную икру хорошего качества? Сейчас расскажем

Playboy
Топ-7 стран, где ты должен побывать в 2020 году Топ-7 стран, где ты должен побывать в 2020 году

Список необычных стран для путешествий

Playboy
Подросток и уборка Подросток и уборка

Говорят, что зайти в комнату подростка – это как заскочить в магазин Икеа

Домашний Очаг
Дженнифер Лоуренс: горячие фото талантливой обладательницы «Оскара» Дженнифер Лоуренс: горячие фото талантливой обладательницы «Оскара»

Дженнифер Лоуренс — одна из тех актрис, которая поражает своими горячими фото

Playboy
Анатомия страха Анатомия страха

Стоит ли избавляться от страхов, если они помогают избежать опасных ситуаций

Здоровье
Практичная квартира для творческих людей, 42 м² Практичная квартира для творческих людей, 42 м²

Хозяева этой квартиры выбрали дизайнера по чувству юмора и не прогадали

AD
Только в путь Только в путь

Вам кажется, что люди делятся на вечных странников и крепких домоседов?

GQ
«У нас всегда есть выбор»: узница Аушвица о надежде, силе духа и любви к жизни «У нас всегда есть выбор»: узница Аушвица о надежде, силе духа и любви к жизни

Удивительная женщина с невероятной судьбой — Эдит Ева Эгер

Psychologies
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
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
Как пережить подготовку к праздникам Как пережить подготовку к праздникам

Как избежать стресса в этот непростой период праздников?

Psychologies
Здоровое будущее Здоровое будущее

Основатель компании Organic People: чем он планирует удивить любителей йоги

Yoga Journal
Адам Кристофер: Очень странные дела. Тьма на окраинах города. Отрывок из книги Адам Кристофер: Очень странные дела. Тьма на окраинах города. Отрывок из книги

Хоппер находит коробку со старыми делами, о которых не хочется вспоминать

СНОБ
Много ли вы пьете: 7 вопросов, которые стоит задать себе прямо сейчас Много ли вы пьете: 7 вопросов, которые стоит задать себе прямо сейчас

Многие из тех, у кого есть настоящие проблемы с алкоголем, не знают об этом

Популярная механика
Обмани меня: почему мы верим фейковым новостям Обмани меня: почему мы верим фейковым новостям

Достаточно пару раз прочитать сомнительный пост, чтобы принять его за истину

Psychologies
Токсичные звезды: как один человек может разрушить коллектив Токсичные звезды: как один человек может разрушить коллектив

У наличия сильного личного бренда есть как преимущества, так и недостатки

Forbes
Перекус на укус Перекус на укус

Лучшие идеи для небольших полезных перекусов

Худеем правильно
Судно «Академик Николай Страхов»: от Мирового океана до Балтийского моря Судно «Академик Николай Страхов»: от Мирового океана до Балтийского моря

Судно Академик Николай Страхов — гордость научно-исследовательского флота России

Популярная механика
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
Открыть в приложении