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
Четыре вещи, которые тебе надо оставить в уходящем году Четыре вещи, которые тебе надо оставить в уходящем году

От каких черт характера стоит избавиться раз и навсегда?

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Осторожно, «голубое» фотостарение! Осторожно, «голубое» фотостарение!

«Голубое» излучение и его вред для кожи

9 месяцев
Как снимать кино о мафии: уроки мастера Как снимать кино о мафии: уроки мастера

Как кровавая эпическая сага Мартина Скорсезе пришла к успеху

Playboy
Как модные бренды работают с технологичными материалами Как модные бренды работают с технологичными материалами

Сегмент люкс всё чаще идет навстречу технологиям

GQ
На пиковых перекрёстках Гороховой улицы На пиковых перекрёстках Гороховой улицы

Магическое притяжение Гороховой улицы в Санкт-Петербурге

Наука и жизнь
Гляжусь в тебя как в зеркало Гляжусь в тебя как в зеркало

Самопсихоанализ внука Фрейда в Королевской академии художеств

Tatler
Шкала остроты перцев и самый острый перец в мире (обжигающий рейтинг) Шкала остроты перцев и самый острый перец в мире (обжигающий рейтинг)

Хочешь узнать, какой перец самый острый в мире? И насколько он острый?

Playboy
Как убрать мешки под глазами: 10 звездных примеров Как убрать мешки под глазами: 10 звездных примеров

Мешки под глазами — проблема, с которой рано или поздно сталкиваются все

Cosmopolitan
6 признаков, что расставание с бывшей было правильным решением (не жалей об этом) 6 признаков, что расставание с бывшей было правильным решением (не жалей об этом)

Пора перестать чувствовать вину и сомневаться.

Playboy
Взлеты и падения Мирославы Думы: от медиаимперии до смертельного недуга Взлеты и падения Мирославы Думы: от медиаимперии до смертельного недуга

Рассказываем о жизни одной из самых известных российских it-girl

Cosmopolitan
В поисках качественного топлива: как выбрать АЗС с лучшим бензином В поисках качественного топлива: как выбрать АЗС с лучшим бензином

Согласно последним данным Росстандарта, проблемы с российскими АЗС есть

Популярная механика
Однажды в России Однажды в России

Борис Акопов: как детство в плохом районе помогает снимать хорошие фильмы

Esquire
Алексей Турчин: «В этом веке решится судьба человечества» Алексей Турчин: «В этом веке решится судьба человечества»

Развитие искусственного интеллекта сделает нас бессмертными либо убьет

РБК
Путешественник во времени Путешественник во времени

Какой момент из прошлого Гийом Кане хотел бы пережить вновь?

Grazia
«Новая Бейонсе»: как певица Нормани стала голосом молодого поколения «Новая Бейонсе»: как певица Нормани стала голосом молодого поколения

Как «обычная девчонка с Юга» добилась успеха и вошла в рейтинг Forbes

Forbes
Попкорн: польза и вред для организма — от домашнего до того, что в кинотеатре Попкорн: польза и вред для организма — от домашнего до того, что в кинотеатре

Здоровая закуска или вредная еда?

Playboy
Последний из рода Юсуповых Последний из рода Юсуповых

В 1900 году Юсуповы составили завещание о передаче своих коллекций государству

Караван историй
Как бывший консультант McKinsey увлекся каббалой, бросил карьеру и построил миллиардный бизнес на «русских» гаджетах Как бывший консультант McKinsey увлекся каббалой, бросил карьеру и построил миллиардный бизнес на «русских» гаджетах

Он начал с продажи заколок, а сегодня владеет производителем гаджетов Elari

Forbes
Магия Илона Маска: как Tesla за 10 лет превратилась из проблемного стартапа в компанию дороже Ford и GM Магия Илона Маска: как Tesla за 10 лет превратилась из проблемного стартапа в компанию дороже Ford и GM

Как Илон Маск сумел продать тысячи электромобилей и стать мультимиллиардером

Forbes
Основатель центра М.О.С.Т. — о ретро-автомобилях и машине Сергея Шнурова Основатель центра М.О.С.Т. — о ретро-автомобилях и машине Сергея Шнурова

Сколько стоит входной билет в мир кастомайзинга и как выживают коллекционеры

РБК
Главный по тарелочкам Главный по тарелочкам

Мишель Бернардо — о семейных традициях дома и на работе

Vogue
Здоровое будущее Здоровое будущее

Основатель компании Organic People: чем он планирует удивить любителей йоги

Yoga Journal
Утро — доброе: 11 правил для хорошего начала дня Утро — доброе: 11 правил для хорошего начала дня

Здоровые привычки помогут начать утро с позитивной ноты

Psychologies
Эрекция — волшебная палочка сердца. Отрывок из книги Йаэль Адлер «Человек противный» Эрекция — волшебная палочка сердца. Отрывок из книги Йаэль Адлер «Человек противный»

Йаэль Адлер раскрывает самые табуированные темы в жизни человека

СНОБ
Бюджетная квартира под сдачу, 61 м² Бюджетная квартира под сдачу, 61 м²

Сэкономленный бюджет проекта не повлиял на функциональность квартиры

AD
Каникулы и праздники: как сохранить мир для детей и родителей Каникулы и праздники: как сохранить мир для детей и родителей

Праздники — во всех отношениях горячее время

Psychologies
«На сплетни о себе реагирую смехом!» «На сплетни о себе реагирую смехом!»

Стася Милославская о «Неделе российского кино» в Нью-Йорке и желтой прессе

Grazia
Вот вам крест Вот вам крест

Сильвия и Джорджо Дамиани — об украшениях для кино, свадьбы и жизни

Vogue
Открыть в приложении