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

Жатва Гиппократа Жатва Гиппократа

Что нового в медицине в последние 20 лет начавшегося века

Maxim
Новогодняя вечеринка с друзьями: как организовать ее и не сойти с ума Новогодняя вечеринка с друзьями: как организовать ее и не сойти с ума

Если ты решила закатить вечеринку с друзьями, тебе точно понадобятся наши советы

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Татуировка помогает излечить психологические травмы? Татуировка помогает излечить психологические травмы?

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

Psychologies
Дакота-блюз Дакота-блюз

Жарким летним деньком мы отправились за сцену к певице Рите Дакоте

Maxim
Как изучение английского поможет развить креативность Как изучение английского поможет развить креативность

Изучение иностранного языка повышает скорость и гибкость мышления

Psychologies
Тачанка XXI века Тачанка XXI века

Побывали на производстве вездеходов-багги и погоняли в окрестностях Грозного

Популярная механика
Как заменить иррациональные убеждения на рациональные. И зачем? Как заменить иррациональные убеждения на рациональные. И зачем?

Попробуйте разобраться, какие мысли вызвали сильную эмоцию

Psychologies
Как приручить человека? Генетики нашли способ Как приручить человека? Генетики нашли способ

Ген BAZ1B, видимо, сыграл важную роль в эволюции человека

СНОБ
Итоги года: Апрель, май, июнь Итоги года: Апрель, май, июнь

Forbes представляет итоги 2019 года

Forbes
7 вопросов Михаилу Дмитриеву, экономисту 7 вопросов Михаилу Дмитриеву, экономисту

О том, что принесет 2020 год российской экономике и рядовому кошельку

Русский репортер
Уроки английского юмора Уроки английского юмора

Фиби Уоллер-Бридж — сверхновая звезда Голливуда

Glamour
Безумный клоун против слизи-гипнотизера: морские супергерои Безумный клоун против слизи-гипнотизера: морские супергерои

Праздничный вид кораллового рифа – сплошной обман

Популярная механика
Горы свернем Горы свернем

Лез-Арк – место во Франции, где скучать точно не придется

Grazia
Как встретить Новый год по-дореволюционному Как встретить Новый год по-дореволюционному

Исторический опыт, который подскажет, как чудить на новый год с фантазией

Maxim
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
Аллергия на бурёнку Аллергия на бурёнку

Аллергия на молочные продукты – неприятное осложнение в начале прикорма малышей

Здоровье
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
Фотограф Греты Тунберг: чем известна Евгения Арбугаева Фотограф Греты Тунберг: чем известна Евгения Арбугаева

Евгения посвятила себя исследованию взаимодействия природы и человека

РБК
Кейт застенчивая, а Меган эмоциональная: эксперты сравнили руки двух герцогинь Кейт застенчивая, а Меган эмоциональная: эксперты сравнили руки двух герцогинь

Специалисты рассказали о характерах герцогинь Кембриджской и Сассекской

Cosmopolitan
Чистое дело Чистое дело

Германия справилась с мусором и вышла на экологически безопасный рост экономики

РБК
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
«ХХI век — удачное время для старых семейных компаний». Генеральный директор Damiani о новом поколении ювелиров «ХХI век — удачное время для старых семейных компаний». Генеральный директор Damiani о новом поколении ювелиров

В 2019 году компания Damiani отметила свое 95-летие

Forbes
Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах

Почему нужно бороться с ложными лингвистическими теориями и что не так с ЕГЭ?

РБК
Юлия Ефременкова: «Мондезир – моя судьба» Юлия Ефременкова: «Мондезир – моя судьба»

Ведущая «Дома-2» и участник проекта организовали вечеринку в честь помолвки

StarHit
Бизнес-план сети «Правда кофе»: как зарабатывать на островках с горячим напитком 600 млн рублей в год Бизнес-план сети «Правда кофе»: как зарабатывать на островках с горячим напитком 600 млн рублей в год

Бизнес-план от основателя сети «Правда кофе» Филиппа Лейтеса

Forbes
Страсти на льду: самые громкие скандалы в истории фигурного катания Страсти на льду: самые громкие скандалы в истории фигурного катания

Вне катка звезды фигурного катания часто демонстрируют неспортивное поведение

Cosmopolitan
Я больше не буду Я больше не буду

92% людей, дающих новогодние обещания, не выполняют их

Cosmopolitan
Алкоголик поневоле: непьющие звезды, которые сыграли пьяниц. Что из этого вышло? Алкоголик поневоле: непьющие звезды, которые сыграли пьяниц. Что из этого вышло?

Многие актеры никогда не пробовали ничего крепче вина, хотя играли алкоголиков

Cosmopolitan
Квартира, вдохновленная прибалтийской природой, 79 м² Квартира, вдохновленная прибалтийской природой, 79 м²

Сосновые леса и песчаные дюны балтийского побережья легли в концепцию интерьера

AD
Открыть в приложении