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

Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Михаил Борисов «Боюсь высоких женщин» Михаил Борисов «Боюсь высоких женщин»

Телеведущий поделился секретом, как соблазнить слабый пол

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Потерпят ли французы бесчестья груз Потерпят ли французы бесчестья груз

Непонимание между властью и обществом во Франции только усиливается

Эксперт
Защитники команды «Локомотив» Защитники команды «Локомотив»

Электровозы – основной вид тяги железных дорог России

Наука и техника
Победа Лужкова. Как бывший мэр Москвы создал модель сегодняшней России Победа Лужкова. Как бывший мэр Москвы создал модель сегодняшней России

Именно Лужков показал, что автократия возможна в России без крови и без садизма

Forbes
Новое начало Новое начало

Если вы хотите начать долгосрочные изменения, попробуйте простую практику

Yoga Journal
Квартира для деловой женщины, 74 м² Квартира для деловой женщины, 74 м²

Для воздушности гостиная и спальня разделены необычной перегородкой, а не стеной

AD
О природе и типах детских страхов О природе и типах детских страхов

Как нас пугали? Чего мы боялись в детстве, а может, боимся и до сих пор?

СНОБ
Женские пальто на синтепоне: выбираем модель по фигуре Женские пальто на синтепоне: выбираем модель по фигуре

О женских пальто на синтепоне – прекрасной и выгодной альтернативе пуховикам

Cosmopolitan
Классическая квартира со скандинавской мебелью, 50 м² Классическая квартира со скандинавской мебелью, 50 м²

Системы хранения спланированы в каждом закутке этой квартиры

AD
Молоко будущего: технология, в которую вложили уже $130 млн Молоко будущего: технология, в которую вложили уже $130 млн

Следующим массовым продуктом из лаборатории может стать молоко от Perfect Day

Forbes
Мод Жульен: Рассказ дочери. 18 лет я была узницей своего отца. Отрывок из книги Мод Жульен: Рассказ дочери. 18 лет я была узницей своего отца. Отрывок из книги

Книга о непростом детстве и насилии со стороны отца

СНОБ
Навстречу темной материи Навстречу темной материи

Гигантские телескопы помогут человеку узнать прошлое и будущее Вселенной

Эксперт
Основы правильного завтрака: что есть, что пить Основы правильного завтрака: что есть, что пить

Есть способы сделать пробуждение и утреннюю трапезу приятными и полезными

Maxim
Ёлка живая vs искусственная: что экологичнее, или Невеселые размышления у новогодней ёлки Ёлка живая vs искусственная: что экологичнее, или Невеселые размышления у новогодней ёлки

Почему искусственная елка может быть менее экологичным выбором, чем настоящая

Forbes
Одна вокруг света. Знаменитое сирийское мороженое Одна вокруг света. Знаменитое сирийское мороженое

Встреча с соотечественницей в Дамаске, самый древний город, мечеть Омейядов

Forbes
Отпусти и забудь Отпусти и забудь

Не пора ли провести новогоднюю «генеральную уборку» – и избавиться от лишнего?

Лиза
16 правил стройности 16 правил стройности

Полезные привычки полезны не только для фигуры, но и для психического здоровья

Psychologies
Думай как женщина Думай как женщина

Ирина Старшенбаум о мужчинах, съемках по любви и жизни на грани фантастики

Cosmopolitan
Голливуд 2.0 Голливуд 2.0

В 2020 году Дженнифер Лопес выйдет замуж, а Джеймс Бонд – на пенсию

StarHit
Песня, под которую в 1960-е делал зарядку каждый второй американец Песня, под которую в 1960-е делал зарядку каждый второй американец

Аналог отечественной утренней гимнастики в СССР, но гораздо бодрее

Maxim
Татуировка помогает излечить психологические травмы? Татуировка помогает излечить психологические травмы?

Рассказываем о направлениях арт-терапии, связанной с рисунками на теле

Psychologies
Тест. Хорошо ли ты знаешь своего ребенка? Тест. Хорошо ли ты знаешь своего ребенка?

Любой отец уверен, что он отлично знает желания своего ребенка, но так ли это?

Maxim
1993 год 1993 год

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

Esquire
Главные победы российского спорта в 2019 году Главные победы российского спорта в 2019 году

Рассказываем о лучшем, что происходило с нашим спортом за 2019 год

GQ
Жир поможет похудеть Жир поможет похудеть

Кетодиета – способ оздоровления и борьбы с лишним весом

Худеем правильно
Как правильно питаться зимой для здоровья и поддержания тонуса Как правильно питаться зимой для здоровья и поддержания тонуса

Как оставаться в форме в пору застолий и дефицита витаминов

Cosmopolitan
Воронцовы-Дашковы Воронцовы-Дашковы

Графский род Воронцовых-Дашковых — соединение двух благородных фамилий дворян

Дилетант
«Есть потепление». О чем договорились и о чем не могли договориться лидеры «нормандской четверки» «Есть потепление». О чем договорились и о чем не могли договориться лидеры «нормандской четверки»

Лидеры России, Украины, Франции и Германии встретились в Париже

СНОБ
Открыть в приложении