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

Цивилизация Цивилизация

Они одними из первых освоили инженерию, завели армию, монархию и дипломатию

Вокруг света
Аутизм аутизму рознь: три формы расстройства по степени тяжести Аутизм аутизму рознь: три формы расстройства по степени тяжести

О симптомах аутизма заговорили задолго до появления самого термина

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Авокадо Авокадо

Авокадо – обязательный ингредиент в любом ресторанном меню

Здоровье
Иван Ургант Иван Ургант

Правила жизни телеведущего и актера Ивана Урганта

Esquire
Чистая работа Чистая работа

Разбираемся, зачем голове и волосам нужны маски

Glamour
Знай наших Знай наших

Уникальные достижения отечественных ученых

Популярная механика
Какие технологии открыли человечеству дверь в будущее Какие технологии открыли человечеству дверь в будущее

Время провести ревизию и приготовиться к следующей технологической десятилетке

РБК
Виктория Дайнеко: «Жить без секса? Легко! Только зачем?» Виктория Дайнеко: «Жить без секса? Легко! Только зачем?»

Певица – об идеальном мужчине, поддержке близкого друга и о жизни с дочерью

StarHit
Digital-дороги Digital-дороги

Цифровые технологии уже помогают решать проблемы с перегруженностью дорог

РБК
6 главных кинозагадок десятилетия, на которые мы не получили ответов 6 главных кинозагадок десятилетия, на которые мы не получили ответов

Прошедшее десятилетие оставило нам немало таких тайн

Playboy
Про эго Про эго

Очень часто от людей слышишь утверждение, что с эго надо бороться

Yoga Journal
Я/Мы — слово года: Юрий Сапрыкин о том, почему завтра мы будем жить лучше Я/Мы — слово года: Юрий Сапрыкин о том, почему завтра мы будем жить лучше

В жизни общества появляется новая волна — волна человечности

Forbes
Клиент — не злодей: как построить творческий стартап и не сойти с ума Клиент — не злодей: как построить творческий стартап и не сойти с ума

Лучшие практические советы для начинающих предпринимателей

Forbes
Голубая мечта «Зеленых»: удастся ли человечеству сохранить планету для будущих поколений Голубая мечта «Зеленых»: удастся ли человечеству сохранить планету для будущих поколений

Климатическая проблема — самая глобальная из всех проблем человечества

РБК
Режим «деликатный»: как стирать бельё в стиральной машине Режим «деликатный»: как стирать бельё в стиральной машине

Секреты, которые помогут сохранить качество ткани и яркость цвета

Cosmopolitan
Квартира дизайнера, 47 м² Квартира дизайнера, 47 м²

Квартира, выполненная в ярких марокканских цветах

AD
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
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
Закончилась «Силиконовая долина» — остроумная и точная хроника уходящего десятилетия. Рассказываем, каким получился финал сериала Закончилась «Силиконовая долина» — остроумная и точная хроника уходящего десятилетия. Рассказываем, каким получился финал сериала

Как интернет-технологии превратились из главной надежды мира в его проклятие

Esquire
Все наши мечты уже сбываются. Прямо сейчас Все наши мечты уже сбываются. Прямо сейчас

Основатель метода ТриЙога поделилась техниками, которые меняют реальность

Yoga Journal
Нет ничего крепче: Екатерина Попова о женской дружбе Нет ничего крепче: Екатерина Попова о женской дружбе

Женская дружба и взаимоподдержка, почему их не принято ценить

Cosmopolitan
Надо брать и делать Надо брать и делать

Что такое успех? Где брать для этого силы? Своим опытом поделился Иван Привалов

Лиза
Взлеты и падения Мирославы Думы: от медиаимперии до смертельного недуга Взлеты и падения Мирославы Думы: от медиаимперии до смертельного недуга

Рассказываем о жизни одной из самых известных российских it-girl

Cosmopolitan
5 отличных фантастических книг о бессмертии 5 отличных фантастических книг о бессмертии

С древнейших времен человечество тратит века на поиски источника вечной жизни

Популярная механика
Регенеративная медицина: будущее уже здесь Регенеративная медицина: будущее уже здесь

Общественность говорит о новой междисциплинарной науке - регенеративной медицине

Популярная механика
Что может навредить плоду? Что может навредить плоду?

От чего нужно обезопасить себя женщине во время ожидания малыша?

9 месяцев
Как инстаграм повлиял на наше понимание красоты Как инстаграм повлиял на наше понимание красоты

Почему мы входим в 2020 год с ужасающими последствиями диджитал-бума

Esquire
Испытывают ли животные эмоции Испытывают ли животные эмоции

Способны ли животные на эмпатию, испытывают ли они радость или горе

СНОБ
Оформляют бамперы, попадают под КамАЗы: что делать после ДТП на трассе Оформляют бамперы, попадают под КамАЗы: что делать после ДТП на трассе

Почему после аварии на трассе не стоит ждать инспекторов на месте столкновения

РБК
Открыть в приложении