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

«У нас нет хлеба, мы умираем» «У нас нет хлеба, мы умираем»

Массовый голод с человеческими жертвами в СССР случался неоднократно

Дилетант
Потерянное десятилетие: общественные настроения в России вернулись на 10 лет назад Потерянное десятилетие: общественные настроения в России вернулись на 10 лет назад

К началу 2020-х внимание россиян снова занимают коррупция и разрыв доходов

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Вечно беременные: зачем некоторые женщины хотят быть многодетными? Вечно беременные: зачем некоторые женщины хотят быть многодетными?

Сегодня все чаще встречаются те, кто хочет большую семью

Psychologies
Диванный эксперт Диванный эксперт

Худейте, лёжа на диване

Худеем правильно
Платные роды: взвешенный подход Платные роды: взвешенный подход

Что нужно знать будущим родителям, решившим заключить контракт на роды?

9 месяцев
Карина-вирус! Карина-вирус!

В это тревожное время героиней обложки стала главная медсестра страны

Maxim
Офисные войны: к чему должен готовиться эмигрант из России в США Офисные войны: к чему должен готовиться эмигрант из России в США

Как подготовиться к сложностям на рабочем месте в другой стране?

Forbes
Джуд Лоу — о «Новом папе», кайфе 40-летних и любимой газировке Соррентино Джуд Лоу — о «Новом папе», кайфе 40-летних и любимой газировке Соррентино

За ответами на волнующие нас вопросы о «Новом папе» мы обратились к Джуду Лоу

РБК
Гипотеза Лавлока: что, если Земля – живой организм? Гипотеза Лавлока: что, если Земля – живой организм?

Гипотеза Геи, предлагающая нам взглянуть на Землю как на живой организм

Naked Science
«Я не хочу быть понятным для всех» «Я не хочу быть понятным для всех»

Трудно ли быть инопланетянином? Рассказывает актер Риналь Мухаметов

Огонёк
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
20 главных фильмов зимы 20 главных фильмов зимы

О том, какие фильмы нас ждут в кинотеатрах в ближайшие зимние месяцы

РБК
Ирина Антоненко: «Настоящий мужчина должен быть как Магомаев» Ирина Антоненко: «Настоящий мужчина должен быть как Магомаев»

В фильме о Муслиме Магомаеве его жену Тамару Синявскую играет Ирина Антоненко

Караван историй
Испытывают ли животные эмоции Испытывают ли животные эмоции

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

СНОБ
Почему у тебя такие большие рюши Почему у тебя такие большие рюши

Платья и блузы с рюшами теперь живут и в гардеробах современных девушек

Vogue
Что такое крепатура мышц после тренировки и как от неё избавиться Что такое крепатура мышц после тренировки и как от неё избавиться

Что делать после тренировки, чтобы не возникла крепатура мышц на следующий день?

Cosmopolitan
Валерия Розов: Нужно ли вашей компании тратить деньги на корпоратив Валерия Розов: Нужно ли вашей компании тратить деньги на корпоратив

Кому корпоратив принесет пользу и как поступить, если сотрудники — интроверты

СНОБ
«Власть не может быть все время доброй». Интервью с губернатором Якутии Айсеном Николаевым «Власть не может быть все время доброй». Интервью с губернатором Якутии Айсеном Николаевым

Губернатор Республики Саха о том, как сбалансировать экономику региона

СНОБ
БУЧ диета: меню на неделю, рецепты и отзывы БУЧ диета: меню на неделю, рецепты и отзывы

Диета БУЧ поможет за месяц избавиться от 5 кг

Cosmopolitan
Джунгли зовут. Джек Блэк и Каррен Гиллан о фильме «Джуманджи: Новый уровень» Джунгли зовут. Джек Блэк и Каррен Гиллан о фильме «Джуманджи: Новый уровень»

Актеры фильма «Джуманджи: Новый уровень» о том, как выжить в фантастическом мире

Forbes
Все без ума от Кэри Гранта: впечатляющие любовные похождения актера 50-х Все без ума от Кэри Гранта: впечатляющие любовные похождения актера 50-х

Актер Кэри Грант – один из самых знаменитых ловеласов Голливуда всех времен

Cosmopolitan
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
Интуитивное питание: свобода от диет или самообман? Интуитивное питание: свобода от диет или самообман?

Стоит ли беременной женщине слушать свой организм и удовлетворять его желания?

9 месяцев
Ждем от государства ясной стратегии Ждем от государства ясной стратегии

Производители систем автопроектирования разработали стратегию развития отрасли

Эксперт
Мениск: терпеть или оперировать? Мениск: терпеть или оперировать?

Травма, сильная боль в колене, разорванный мениск

Здоровье
6 самых переоцененных постельных практик: кажется, что они крутые, но нет 6 самых переоцененных постельных практик: кажется, что они крутые, но нет

Если мы все перестанем это делать, мало кто об этом пожалеет

Playboy
Что такое АСМР и почему многим это так нравится? Что такое АСМР и почему многим это так нравится?

Непросто понять, что такое АСМР, если вам не доводилось испытывать это ощущение

Psychologies
СИЗО: очередь солидарности СИЗО: очередь солидарности

Почему в СИЗО нет места классовым, национальным и поколенческим дрязгам

Русский репортер
Дыхательная гимнастика бодифлекс для похудения: тонкая талия за 5 шагов Дыхательная гимнастика бодифлекс для похудения: тонкая талия за 5 шагов

Разбираемся, действительно ли бодифлекс поможет похудеть на 20 килограммов

Cosmopolitan
Открыть в приложении