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

Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Правила жизни Тома Уэйтса Правила жизни Тома Уэйтса

Музыкант, Лос-Анджелес

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Уроки английского юмора Уроки английского юмора

Фиби Уоллер-Бридж — сверхновая звезда Голливуда

Glamour
Олег Меньшиков: “Я был категоричен и спокойно рвал с людьми” Олег Меньшиков: “Я был категоричен и спокойно рвал с людьми”

Что чувствует и о чем думает один из самых закрытых для публики актеров

Psychologies
Папа дома: как активное отцовство меняет жизнь Папа дома: как активное отцовство меняет жизнь

Отрывок из книги «Nordic Dads»

Psychologies
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
«Окей, бумер»: почему разные поколения так раздражают друг друга «Окей, бумер»: почему разные поколения так раздражают друг друга

Почему мы, на самом деле, просто не умеем друг с другом общаться

Forbes
Чудо на льду: как российские фигуристки покоряют мир фигурного катания Чудо на льду: как российские фигуристки покоряют мир фигурного катания

Как женское фигурное катание стало в России главным олимпийским видом спорта

Esquire
Сломанные судьбы королев красоты: передозировка, авиакатастрофа и лишение титула Сломанные судьбы королев красоты: передозировка, авиакатастрофа и лишение титула

Самые печальные истории участниц конкурса красоты

Cosmopolitan
1996 год 1996 год

Срок первого президента РФ подошёл к концу, смута продолжается

Esquire
8 лучших коктейлей с водкой (классика никогда не умрет!) 8 лучших коктейлей с водкой (классика никогда не умрет!)

Тот редкий случай, когда уважаемому крепкому напитку требуется иной антураж

Playboy
Шантаж и подкуп. Как склоняют к сожительству Александра Лукашенко Шантаж и подкуп. Как склоняют к сожительству Александра Лукашенко

Одна из особенностей российского делового этикета — вести переговоры

СНОБ
С видом на МГУ С видом на МГУ

Стиль индустриального шика и урбанистическая живопись в интерьере

SALON-Interior
Прощание с горящими путевками: как цифровые технологии изменят российский туризм Прощание с горящими путевками: как цифровые технологии изменят российский туризм

Какой путь за 30 лет прошел российский турбизнес

Forbes
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
Пенсионеры-герои Пенсионеры-герои

Десять человек, для которых старость стала самым захватывающим периодом жизни!

Maxim
Как использовать тени для бровей: советы визажиста Как использовать тени для бровей: советы визажиста

Эффектные густые брови – обязательный элемент модного макияжа

Cosmopolitan
Квартира с единорогом, 55 м² Квартира с единорогом, 55 м²

Хозяйка хотела темную квартиру, но в итоге проект получился светлым и сказочным

AD
Грусть выходного дня Грусть выходного дня

Прислушайтесь к себе, если вы не знаете, как распорядиться свободным временем

Здоровье
Как не объедаться в праздники? 5 хитростей, которые точно помогут Как не объедаться в праздники? 5 хитростей, которые точно помогут

Пора разорвать порочный круг объедания

Playboy
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
Провальный курс: почему импортозамещение не оправдало надежд Провальный курс: почему импортозамещение не оправдало надежд

Курс на независимость российской экономики от импорта был фактически провален

Forbes
Делится на два Делится на два

Куда поехать в отпуск в январе? В Европе есть и горы, и море

Grazia
Гиперборея литературная Гиперборея литературная

Гиперборейский миф — одна из основ русской идентичности

Дилетант
В школе ребенку плохо: что делать? В школе ребенку плохо: что делать?

Представьте себе ситуацию: ваш сын или дочь наотрез отказывается ходить в школу

Psychologies
Умные часы, дополненная реальность, гибкие экраны: главные гаджеты 2010-х Умные часы, дополненная реальность, гибкие экраны: главные гаджеты 2010-х

Второе десятилетие XXI века — время носимой электроники и интернета вещей

Esquire
Закусывать надо! Как пить алкоголь в новогоднюю ночь, чтобы потом не жалеть Закусывать надо! Как пить алкоголь в новогоднюю ночь, чтобы потом не жалеть

Что и как нужно пить, чтобы утро не началось с сожаления о вчерашнем

Cosmopolitan
Самые высокооплачиваемые музыканты — 2019. Рейтинг Forbes Самые высокооплачиваемые музыканты — 2019. Рейтинг Forbes

Американский Forbes опубликовал рейтинг самых высокооплачиваемых музыкантов года

Forbes
Правила жизни Патти Смит Правила жизни Патти Смит

Правила жизни певицы и поэтессы Патти Смит

Esquire
Открыть в приложении