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

Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Узелок на память Узелок на память

Увеличение лимфоузлов у ребенка — одна из самых пугающих тем для родителей

Добрые советы
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Как нас втягивают в токсичные отношения Как нас втягивают в токсичные отношения

У таких отношений есть очень точное определение: нам в них физически плохо

Psychologies
Очарование легенды Очарование легенды

Наполеон сделал многое, чтобы придать своей личности образ сверхчеловека

Дилетант
Миллиарды в игре: за что спонсоры любят киберспорт Миллиарды в игре: за что спонсоры любят киберспорт

Как сравнительно молодой отрасли удалось привлечь миллиарды

Forbes
Цивилизация Цивилизация

Они одними из первых освоили инженерию, завели армию, монархию и дипломатию

Вокруг света
Акне-позитив – новый тренд? Звезды, которые не стесняются проблемной кожи Акне-позитив – новый тренд? Звезды, которые не стесняются проблемной кожи

Тренд на проблемную кожу становится новой волной бодипозитива

Cosmopolitan
Как проверить совместимость видеокарты и материнской платы Как проверить совместимость видеокарты и материнской платы

Основные нюансы о слоте PCI-Express, которые должен знать каждый пользователь

CHIP
Бедные, но умные Бедные, но умные

В России выявлена поголовная недообученность

Огонёк
«Счастье победы проходит быстро» «Счастье победы проходит быстро»

Тренер Елена Чайковская — о кнуте и прянике

Огонёк
Надпись на камне: Девяностые – это Я Надпись на камне: Девяностые – это Я

Отрывок из романа Игоря Григорьева

Esquire
Светлана Белова, Swarovski — о грядущем Рождестве и стратегии в России Светлана Белова, Swarovski — о грядущем Рождестве и стратегии в России

Светлана Белова, Swarovski — о конкурентных преимуществах и планах на год

РБК
«В 7 утра пришел ОМОН с автоматчиками»: сооснователь Nginx рассказал об обысках «В 7 утра пришел ОМОН с автоматчиками»: сооснователь Nginx рассказал об обысках

Сооснователь самого популярного веб-сервера Nginx рассказал подробности обысков

Forbes
Уши востро: как подобрать подходящие наушники Уши востро: как подобрать подходящие наушники

Чтобы наушники не разочаровали, к их выбору стоит подойти разумно

Популярная механика
Мария Скокова Мария Скокова

Ее не называют иначе, чем музой Николя Жескьера

Собака.ru
Война вирусов Война вирусов

В открытии интерферона у случайности была не последняя роль

Дилетант
Избегая конфликтов любой ценой, мы ставим под угрозу отношения Избегая конфликтов любой ценой, мы ставим под угрозу отношения

Разрушает ли гнев отношения

Psychologies
«‎Доступная среда для каждого своя»‎. Как родители и дети с инвалидностью живут в мегаполисе «‎Доступная среда для каждого своя»‎. Как родители и дети с инвалидностью живут в мегаполисе

Родители с инвалидностью о борьбе со стереотипами и толерантном обществе

СНОБ
Что делать, если травма уменьшила ваш мир Что делать, если травма уменьшила ваш мир

Переживания могут захватить все сферы нашей жизни, и мы этого даже не заметим

Psychologies
Тест. Хорошо ли ты знаешь своего ребенка? Тест. Хорошо ли ты знаешь своего ребенка?

Любой отец уверен, что он отлично знает желания своего ребенка, но так ли это?

Maxim
Размер имеет значение: самые большие яхты 2019 года Размер имеет значение: самые большие яхты 2019 года

Одиннадцать самых крупных яхт, спущенных на воду в 2019 году.

Forbes
5 главных технологий десятилетия: выбор венчурных инвесторов 5 главных технологий десятилетия: выбор венчурных инвесторов

Главные технологии прошедшего десятилетия и прогноз на следующее

Forbes
Пережить Новый год! Пережить Новый год!

Как после череды праздников выйти без потерь для здоровья и фигуры

Лиза
Учимся… спать Учимся… спать

Во время беременности у женщин нередко возникают проблемы со сном

9 месяцев
Не в химии счастье Не в химии счастье

Можно ли стать счастливым, просто приняв дозу гормона

Вокруг света
Сквирт или не сквирт: вопросы, советы, подводные камни Сквирт или не сквирт: вопросы, советы, подводные камни

Рассказываем, откуда берется струйный оргазм и на что он похож

Cosmopolitan
Гэнки Кавамура: Если все кошки в мире исчезнут Гэнки Кавамура: Если все кошки в мире исчезнут

Отрывок из романа японского писателя Гэнки Кавамура

СНОБ
Гранит науки Гранит науки

Старое доброе «Учиться, учиться и еще раз учиться» сейчас актуально как никогда

Cosmopolitan
Суперсет: тренировка для рельефных плеч в тренажерном зале Суперсет: тренировка для рельефных плеч в тренажерном зале

Эффективная тренировка для плеч в тренажерном зале подойдет абсолютно всем

Cosmopolitan
Открыть в приложении