Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техникаHi-Tech

Эра литий-ионных аккумуляторов

Анастасия Рогачева

Вы еще помните телефоны с кудрявым проводом, сигнал которого громко раздавался по всем комнатам? Сейчас их почти нигде не увидишь. А некоторые и вовсе хранятся в музеях. Сегодня мы можем носить телефон в кармане и заряжать раз в 1–2 дня. И не только его – наши ноутбуки тоже стали портативными. Да чего уж там, по крупным городам ездят электромобили и электробусы. Весь этот (уже привычный) футуризм стал возможен благодаря аккумуляторам – мобильным химическим источникам тока, проще говоря, батарейкам.

Батарейки накапливают энергию в химической форме, а когда требуется, отдают ее в виде электроэнергии. Эти замечательные устройства, большие и малые, не имея видимых движущихся узлов, «проталкивают» электроны по замкнутому контуру. Ежегодно аккумуляторы совершенствуются, а научные коллективы по всему миру неустанно трудятся над тем, чтобы повысить емкость, надежность, безопасность и экологичность батареек и одновременно уменьшить их размер, вес и цену.

Литий-ионный аккумулятор цилиндрический. Источник: Lead holder/ Wikipedia

Пожалуй, самыми распространенными в обычной жизни химическими источниками тока стали литий-ионные аккумуляторы. Сегодня они обеспечивают энергией смартфоны, ноутбуки, мелкую бытовую технику, электросамокаты и велосипеды, а также электромобили.

Электромобиль Tesla Model Y. Источник: AuHaidhausen / Wikipedia

От других видов аккумуляторов их отличает то, что они генерируют энергию благодаря чрезвычайно низкой электроотрицательности лития. То есть литий так легко расстается с электронами, что готов вступить в реакцию с очень многими химическими соединениями. Кроме того, литий – один из самых легких химических элементов с очень легким ядром в центре атома. Поэтому литиевые батареи хранят огромный запас химической потенциальной энергии в очень легкой упаковке. Казалось бы, идеальные характеристики для создания портативных источников энергии. Однако не все так просто, дешево и безопасно, как кажется на первый взгляд…

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический. Источник: Tomasz Sienicki / Wikipedia

Все, кому когда-либо доводилось менять батарейку, знают про пресловутый «плюс и минус». За «плюс» отвечает катод, или положительный электрод, а за «минус» – анод, или отрицательный электрод. Между ними находится электролит – вещество, которое позволяет ионам перемещаться между полюсами. Электролит может находиться в жидком, гелеобразном или твердом состоянии. Для предотвращения короткого замыкания используется сепаратор – тонкая полимерная пленка, пропускающая ионы. Все элементы заключены в прочный корпус, который защищает аккумулятор и обеспечивает его безопасность. От качества каждого элемента зависят характеристики батареи, но основой становятся именно катод и анод. С них все и началось.

Первый прообраз аккумулятора, который можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. В 1859 Году Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею – первую батарею, которую можно было заряжать, пропуская через нее противоположный ток, то есть вторичный источник тока.

В 1970-х гг., на фоне нефтяного кризиса, возникла необходимость в альтернативных источниках энергии. Британо-американский химик Майкл Стэнли Уиттингем предложил концепцию литий-ионного аккумулятора. Он использовал катодный материал (до 20% стоимости готового аккумулятора приходится именно на него) на основе дисульфида титана. Ученый начал исследования в области интеркалированных электродов, что привело к созданию первого прототипа литий-ионной батареи. Интеркаляция позволяет включать ионы или молекулы в слои кристаллической решетки материала электрода. При разрядке литий отдавал электроны и через мембрану переходил в катод, встраиваясь между слоями дисульфида титана. Однако при зарядке такого аккумулятора часто образовывались дендриты – выросты лития от анода к катоду. Они пробивали сепаратор между анодом и катодом, создавая короткое замыкание, что вызывало проблемы с безопасностью. Между тем это был первый успех в развитии литий-ионных аккумуляторов.

Химик Майкл Стэнли Уиттингем. Источник: A. Mahmoud / Nobel Media

В 1980 году американский физик Джон Гуденаф предложил использовать оксид кобальта и лития (LiCoO2) в качестве катодного материала. Это значительно повысило напряжение батареи и улучшило ее стабильность, то есть с использованием этого материала появилась возможность накапливать гораздо большую энергию на единицу массы. В то время сама идея использования оксида в качестве интеркаляционного катода была новаторской. Ведь до этого считалось, что связи лития и кислорода слишком прочны, и литий не будет обладать высокой подвижностью в оксидных материалах. Неудивительно, что такой подход предложил именно Гуденаф. В зарубежном научном сообществе ученого знали как патриарха всей современной химии твердого тела. Научный поиск не подвел: даже спустя почти полвека после выхода статьи Гуденафа оксид лития-кобальта до сих пор используется примерно в трети литий-ионных аккумуляторов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Герой нашего времени Герой нашего времени

M-Hero в сугробах Кольского полуострова

Автопилот
От Шагала до мурала От Шагала до мурала

Арт-маршрут от Ниццы до Перпиньяна, достойный целых каникул

Y Magazine
Продуманный подход вместо запретов Продуманный подход вместо запретов

Собравшиеся на форум ученые и врачи обсуждали проблематику табакокурения

Наука
Юрий Васильев: «Некто Ширвиндт» Юрий Васильев: «Некто Ширвиндт»

Александра Анатольевича все в Театре сатиры называли просто Шурой

Коллекция. Караван историй
Астероид Бенну. Что нам удалось о нем узнать? Астероид Бенну. Что нам удалось о нем узнать?

Чем примечателен астероид Бенну?

Наука и техника
Рожденные революцией Рожденные революцией

Как технологическая революция полностью изменит привычные нам гаджеты

Правила жизни
Кутхины баты: удивительное место на Камчатке, в существование которого трудно поверить Кутхины баты: удивительное место на Камчатке, в существование которого трудно поверить

Один из самых потрясающих памятников природы — Кутхины баты

ТехИнсайдер
Мир экзопланет: самые странные экзопланеты Мир экзопланет: самые странные экзопланеты

Как появляются пульсарные планеты, планеты-зомби и бланеты

Наука и техника
«Искренний урбанизм»: от картинок к поиску смыслов «Искренний урбанизм»: от картинок к поиску смыслов

«Искренний урбанизм» — городская экосистема, построенная на многообразии

Ведомости
Оцелоты подружились с опоссумами Оцелоты подружились с опоссумами

На чем держится межвидовая дружба между опоссумами и оцелотами?

N+1
Нарыли контент Нарыли контент

Звездные фермеры, которые учат выращивать урожай и разводить скот

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Денис Рожков: «Все гладко складывается только в плохом кино» Денис Рожков: «Все гладко складывается только в плохом кино»

Все гладко складывается только в плохом кино

Коллекция. Караван историй
Чтобы не набрать лишнего. Шесть правил Чтобы не набрать лишнего. Шесть правил

6 правил, чтобы не поправиться в отпуске

Здоровье
«По-любому ты — брат мне»: почему «Бригада» — великий сериал «По-любому ты — брат мне»: почему «Бригада» — великий сериал

Феномен «Бригады», повлиявшей на индустрию и умы целого поколения

Правила жизни
Газ, вода и стальные трубы Газ, вода и стальные трубы

Как российский рынок выпуска ТБД исчерпал текущий потенциал

Монокль
Неоднозначный герой: история Оскара Шиндлера, немецкого промышленника, спасшего более 1000 евреев во время Холокоста Неоднозначный герой: история Оскара Шиндлера, немецкого промышленника, спасшего более 1000 евреев во время Холокоста

Почему личность Оскара Шиндлера в фильме 1993 года представлена идеализированно?

ТехИнсайдер
«Дешевый» клиент почти всегда сложнее «дорогого»: как работать с придирчивыми заказчиками «Дешевый» клиент почти всегда сложнее «дорогого»: как работать с придирчивыми заказчиками

Как сразу определить, что клиент сложный, а когда лучше отказаться от проекта?

Inc.
Помело: польза, вред, как есть и что приготовить — рецепт шеф-повара Помело: польза, вред, как есть и что приготовить — рецепт шеф-повара

Чем полезно помело и как правильно его есть?

РБК
Загадочная смерть Дороти Хант, жены одного из ключевых участников Уотергейтского скандала Загадочная смерть Дороти Хант, жены одного из ключевых участников Уотергейтского скандала

Трагедия Дороти Хант и ее связь с Уотергейтским скандалом

ТехИнсайдер
Казань набила казну Казань набила казну

Почему вузы Татарстана популярны у иностранных студентов?

Ведомости
Не выходя из машины Не выходя из машины

Необычные гаджеты, которые в разные эпохи можно было найти в автомобиле

Правила жизни
Иллюзия сознания и реальность игры Иллюзия сознания и реальность игры

Книги: очередная биография Эйнштейна и исследование эмоций

N+1
Сати Казанова: «Самое важное для меня – моя семья и творчество» Сати Казанова: «Самое важное для меня – моя семья и творчество»

Сати Казанова – о том, чем итальянский муж может раздражать кабардинскую жену

Здоровье
Легенды со стрелками: 7 знаменитых часов в мире Легенды со стрелками: 7 знаменитых часов в мире

О десяти самых знаменитых часах, расположенных в разных частях нашего мира

ТехИнсайдер
Что будет в небе после МКС Что будет в небе после МКС

Через пять лет над Землёй будут работать станции разных стран, а не одна МКС

Монокль
О чем молчат рекорды HoReCa О чем молчат рекорды HoReCa

Будут ли все последствия смещения потребления с кухни в ресторан положительными?

Агроинвестор
Ностальгия на волне Ностальгия на волне

Почему звезды 90-х и 2000-х снова популярны в России?

Ведомости
Золотой век английской карикатуры Золотой век английской карикатуры

«Отечество карикатуры и пародии» — об Англии Георгианской эпохи

Дилетант
От Копенгагена до Нормандии: пять мест, где выгодно быть экологичным туристом От Копенгагена до Нормандии: пять мест, где выгодно быть экологичным туристом

Места, где за экологичное поведение туристы могут получить бонус

Forbes
Феномен текста: человек vs ИИ Феномен текста: человек vs ИИ

Способен ли искусственный интеллект писать тексты или даже мыслить как человек?

Монокль
Открыть в приложении