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

«Вечный силлабаб» «Вечный силлабаб»

Старинный английский десерт с забавным названием «силлабаб»

Наука и жизнь
Что заставляет нас постоянно думать о худшем и все перепроверять? Что заставляет нас постоянно думать о худшем и все перепроверять?

Как вернуть доверие к самому главному человеку в своей жизни — самому себе

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Без шума и пыли: электрический болид Penske EV-4 Без шума и пыли: электрический болид Penske EV-4

Поддержка экологических инициатив в автоспорте – реальный способ помочь планете

Популярная механика
Не платил налоги, опубликовал фото с «кровавого» сафари, надел костюм со свастикой: дети политиков, которые попадали в крупные скандалы Не платил налоги, опубликовал фото с «кровавого» сафари, надел костюм со свастикой: дети политиков, которые попадали в крупные скандалы

Скандальные истории наследников глав государств

СНОБ
Моя история Моя история

Начну сразу с главного: я — киборг, хотя немногие об этом знают

Yoga Journal
«Судебник Владимира Гусева» и держава Ивана III «Судебник Владимира Гусева» и держава Ивана III

История судебника Ивана III

Наука и жизнь
Квартира с элементами ар‑деко, 77 м² Квартира с элементами ар‑деко, 77 м²

В квартире царят характерные для 1920-х годов латунь, мрамор и зеркала

AD
Откуда взялись монеты: краткая история денег Откуда взялись монеты: краткая история денег

Монеты – это живое свидетельство истории технологического развития человечества

Популярная механика
«Первый бизнес я начал в 12 лет»: один из самых успешных российских венчурных инвесторов Дмитрий Волков о Tinder, Канте и Burning Man «Первый бизнес я начал в 12 лет»: один из самых успешных российских венчурных инвесторов Дмитрий Волков о Tinder, Канте и Burning Man

Дмитрий Волков — о Tinder, Канте и Burning Man

Forbes
Кибитка и рукогрейка: 5 вещей, которые спасали наших предков от холода и дождя Кибитка и рукогрейка: 5 вещей, которые спасали наших предков от холода и дождя

Полет фантазии, торжество избыточности и сомнительная эффективность от непогоды

Forbes
Алина Болотина Алина Болотина

Алина Болотина попала в рейтинг сайта Models.com и топ новых лиц Vogue

Собака.ru
18 алкогольных игр, чтобы напиться с выдумкой и азартом 18 алкогольных игр, чтобы напиться с выдумкой и азартом

Реестр алкогольных игр растет, а правила усложняются

Maxim
Сооснователь крупнейшего рыбного холдинга рассказал о сорвавшейся сделке с Абрамовичем на $50 млн Сооснователь крупнейшего рыбного холдинга рассказал о сорвавшейся сделке с Абрамовичем на $50 млн

Магнус Рот: ущерб сорванной сделки с Абрамовичем $150 млн

Forbes
Шеф-повар Нобу Мацухиса — о любимом ресторане и Роберте Де Ниро Шеф-повар Нобу Мацухиса — о любимом ресторане и Роберте Де Ниро

Как появилась ресторанная империя Nobu

РБК
Уведите детей. Зачем силовики приходят в школу и что мы можем с этим сделать Уведите детей. Зачем силовики приходят в школу и что мы можем с этим сделать

Силовики метелят в школьном спортзале воображаемых уголовников

СНОБ
Робот и другие помощники. 10 самых раздражающих опций в автомобилях Робот и другие помощники. 10 самых раздражающих опций в автомобилях

Сомнительные опции, за которые не имеет смысла платить

РБК
А поутру они проснулись А поутру они проснулись

Как справиться с последствиями новогоднего застолья

Худеем правильно
Нарисуем — будут жить Нарисуем — будут жить

Не всем концептам суждено было выжить, но кому-то было нужно их появление

Robb Report
Обзор аудиоплеера FiiO X1II: начинай с начала Обзор аудиоплеера FiiO X1II: начинай с начала

К звучанию этого плеера не придерётся даже человек с музыкальным слухом

CHIP
Зажигаем! Зажигаем!

Как устроить безопасный новогодний фейерверк

Лиза
Во власти ужаса: что такое панические атаки и как с ними бороться Во власти ужаса: что такое панические атаки и как с ними бороться

Что делать с паническими атаками, и куда обратиться, чтобы приступы прекратились

Psychologies
Пережить Новый год! Пережить Новый год!

Как после череды праздников выйти без потерь для здоровья и фигуры

Лиза
«Страна чародеев» — вселенная русских саамов «Страна чародеев» — вселенная русских саамов

Какая она, русская Лапландия, родина лопарей

Дилетант
Пошли в баню! Пошли в баню!

В холодный зимний день баня или сауна – особое удовольствие

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

Эффектные густые брови – обязательный элемент модного макияжа

Cosmopolitan
Любишь — докажи: как перестать требовать этого от партнера Любишь — докажи: как перестать требовать этого от партнера

Сомнения в любви партнера невероятно истощают

Psychologies
«Когда я выходила замуж, даже не думала, что так бывает» «Когда я выходила замуж, даже не думала, что так бывает»

Теперь награды в семье Вайнштейнов-Батыршиных зарабатывают дети

OK!
Золотые голоса: самые дорогие российские артисты на Новый год Золотые голоса: самые дорогие российские артисты на Новый год

Кто из российских артистов просит самые высокие гонорары на новый год?

Forbes
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
Открыть в приложении