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
100 дней в той самой Мосгордуме 100 дней в той самой Мосгордуме

Как работается оппозиционному депутату Дарье Бесединой

Русский репортер
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
На всякий морозный: какие телефоны не боятся холодов? На всякий морозный: какие телефоны не боятся холодов?

Как выбрать телефон, который выживет российские в морозы

CHIP
Дэниел Крейг: “У кого-то другого трава всегда зеленее. Это разрушает” Дэниел Крейг: “У кого-то другого трава всегда зеленее. Это разрушает”

Что значит мужественность для Дэниела Крейга

Psychologies
Мужские эрогенные зоны — от очевидных до неожиданных (о некоторых ты и не знал) Мужские эрогенные зоны — от очевидных до неожиданных (о некоторых ты и не знал)

Давай найдем все эрогенные зоны у мужчины

Playboy
Поля морей Поля морей

Новые технологии сельского хозяйства: фермы в океане

Популярная механика
Жасмин Одемар, Audemars Piguet — о семейном бизнесе и часах Code 11.59 Жасмин Одемар, Audemars Piguet — о семейном бизнесе и часах Code 11.59

Интервью с президентом совета директоров Audemars Piguet

РБК
Интервью: глава Isaia Джанлука Исайя — о чувстве стиля, ненависти к белым носкам и любви русских к красоте Интервью: глава Isaia Джанлука Исайя — о чувстве стиля, ненависти к белым носкам и любви русских к красоте

Джанлука Исайя: в чем проявляется элегантность и почему мужчины любят костюмы

Esquire
Все только начинается Все только начинается

Декабрьские праздники – время радовать близких и укреплять отношения

Лиза
Экспресс-антистресс Экспресс-антистресс

Несколько приемов, которые помогут быстро сбросить напряжение

Лиза
Как поддержать здоровье спины? Как поддержать здоровье спины?

Во время беременности позвоночник женщины подвергается колоссальным нагрузкам

9 месяцев
Марина Малашенко: Гибкое начало рабочего дня. Плюсы и минусы Марина Малашенко: Гибкое начало рабочего дня. Плюсы и минусы

Гибкий или даже свободный график — это тренд, с которым сложно не считаться

СНОБ
1994 год 1994 год

В стране появились большие деньги и люди, намеренные их поделить

Esquire
Харассмент: рассказываем, что это такое простыми словами Харассмент: рассказываем, что это такое простыми словами

Пора бы уже повысить свою осведомленность в этом непростом деле

Playboy
Поколение Netflix. Как так вышло, что мы все стали смотреть сериалы Поколение Netflix. Как так вышло, что мы все стали смотреть сериалы

За последние годы сериалы серьезно потеснили и большое кино

Forbes
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
5 признаков, что ваши отношения с девушкой не продлятся дольше трех месяцев 5 признаков, что ваши отношения с девушкой не продлятся дольше трех месяцев

Возможно, это просто короткая глава в твоей жизни

Playboy
Пошли в баню! Пошли в баню!

В холодный зимний день баня или сауна – особое удовольствие

Лиза
Клео де Мерод — легендарная модель XIX века (12 фото) Клео де Мерод — легендарная модель XIX века (12 фото)

Ее красота стала символом Прекрасной эпохи

Maxim
Симеон Богоприимец Симеон Богоприимец

Симеон Богоприимец — фигура загадочная и мистическая

Дилетант
Путин из чистого золота: как нижегородец заработал миллионы на драгоценных смартфонах с патриотичным дизайном Путин из чистого золота: как нижегородец заработал миллионы на драгоценных смартфонах с патриотичным дизайном

Сергей Китов построил бизнес на любителях «тяжелого люкса»

Forbes
Д’Артаньян с гитарой Д’Артаньян с гитарой

26 декабря кумиру многих поколений Михаилу Боярскому исполнится 70 лет

Лиза
Нескучные интервальные тренировки для похудения Нескучные интервальные тренировки для похудения

Интервальные тренировки — так ли они эффективны для похудения

Cosmopolitan
У леса на опушке У леса на опушке

Белорусская Ванга, случайные попутчики и огуречный бизнес

StarHit
Смерть бешеного принтера: кем и где мы будем работать в 2020 году Смерть бешеного принтера: кем и где мы будем работать в 2020 году

О чем стоит помнить, чтобы построить успешную карьеру в наступающем году

Forbes
Легкость необыкновенная Легкость необыкновенная

Сделай новогодние блюда более легкими

Лиза
Массимо Боттура: «Но мы не готовим еду, мы сервируем эмоции» Массимо Боттура: «Но мы не готовим еду, мы сервируем эмоции»

Зачем Массимо Боттуре звезды Мишлен и победы в премиях

GQ
«Долгий '68: Радикальный протест и его враги»: как протестовала молодежь в 1968 году «Долгий '68: Радикальный протест и его враги»: как протестовала молодежь в 1968 году

Фрагмент книги Ричарда Вайнена «Долгий ’68: радикальный протест и его враги»

Esquire
Все, что вам нужно знать о начинающем исполнителе – Кате Panterrra Все, что вам нужно знать о начинающем исполнителе – Кате Panterrra

Что общего у музыки и бочки и как можно убить свои чувства?

GQ
Открыть в приложении