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
«Честное слово»: гипнотерапевтическая сказка «Честное слово»: гипнотерапевтическая сказка

Преодолеть кризис героине помог эриксоновский гипноз.

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Михаил Боярский: «Внук понял, в какую сумасшедшую семью попал» Михаил Боярский: «Внук понял, в какую сумасшедшую семью попал»

Актер откровенно об ошибках и главных женщинах в своей жизни

StarHit
Подвиг ретушера. Самые интересные фальсификации фотографий в истории Подвиг ретушера. Самые интересные фальсификации фотографий в истории

Лучшие фотофальсификации последних 150 лет — полюбуйся

Maxim
Итоги года: Июль, август, сентябрь Итоги года: Июль, август, сентябрь

Forbes представляет итоги 2019 года

Forbes
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
«Нужно было дать какое-то объяснение этому трешу»: почему Россию на 4 года отстранили от Олимпиад «Нужно было дать какое-то объяснение этому трешу»: почему Россию на 4 года отстранили от Олимпиад

Манипуляции с базой данных Московской антидопинговой лаборатории

Forbes
Мое тело — мое дело. Как порноидустрия лишает людей приватности Мое тело — мое дело. Как порноидустрия лишает людей приватности

Джессика Стоядинович знает все об обратной стороне создания кино для взрослых

Forbes
Как бороться с мировой эпидемией недосыпа? Как бороться с мировой эпидемией недосыпа?

Проблемы со сном превратились в глобальную эпидемию

GQ
Софья Таюрская: горячие фото солистки нашумевшей группы «Little Big» Софья Таюрская: горячие фото солистки нашумевшей группы «Little Big»

Яркая, дерзкая и очень талантливая Софья Таюрская

Playboy
Любовница Ватикана Любовница Ватикана

Картина считалась утерянной почти три столетия

Караван историй
Семен Серзин Семен Серзин

Актер и режиссер играет главную роль в фильме Кирилла Серебренникова

Собака.ru
Без драк и скандалов: самые приличные участницы «Дома-2» за всю историю Без драк и скандалов: самые приличные участницы «Дома-2» за всю историю

О героях проекта «Дома-2», за которых зрителям не стыдно

Cosmopolitan
Замена корпоративам: как увеличить доходы компании с помощью спорта Замена корпоративам: как увеличить доходы компании с помощью спорта

Зачем нужны программы корпоративного спорта

Forbes
«Власть не может быть все время доброй». Интервью с губернатором Якутии Айсеном Николаевым «Власть не может быть все время доброй». Интервью с губернатором Якутии Айсеном Николаевым

Губернатор Республики Саха о том, как сбалансировать экономику региона

СНОБ
Диета для сушки тела, меню на каждый день: не только полезно, но и вкусно Диета для сушки тела, меню на каждый день: не только полезно, но и вкусно

Сушка тела – процесс поэтапный, требующий системного подхода

Cosmopolitan
Про эго Про эго

Очень часто от людей слышишь утверждение, что с эго надо бороться

Yoga Journal
Революция Розы Революция Розы

Актриса Роза Хайруллина и шоумен Александр Гудков поговорили о тишине и славе

Vogue
Стиль смарт кэжуал для мужчин: базовый гардероб и практические советы Стиль смарт кэжуал для мужчин: базовый гардероб и практические советы

Smart casual — один из лучших способов для мужчин по-настоящему выразить себя

Playboy
Авокадо Авокадо

Авокадо – обязательный ингредиент в любом ресторанном меню

Здоровье
Основатель сети Iniala — о плохом сервисе, тихих тайцах и филантропии Основатель сети Iniala — о плохом сервисе, тихих тайцах и филантропии

Марк Вейнгард — о том, как на Пхукете появился первый отель класса «люкс»

РБК
Без вины виноватые: вредят ли скандалы модным брендам Без вины виноватые: вредят ли скандалы модным брендам

В эпоху соцсетей скандалы с участием модных брендов разгораются стабильно

GQ
Итоги года: Апрель, май, июнь Итоги года: Апрель, май, июнь

Forbes представляет итоги 2019 года

Forbes
Рожденная свободной Рожденная свободной

Почему детям важны полная свобода и независимость и чем сложен семейный бизнес

Grazia
Меню для сушки тела на неделю: долой объёмы Меню для сушки тела на неделю: долой объёмы

Чем нужно питаться, чтобы эффективно подсушиться и не навредить здоровью

Cosmopolitan
Лада Дэнс: «Охочусь за фэшнраритетами» Лада Дэнс: «Охочусь за фэшнраритетами»

Певица призналась, какие ошибки прошлого хотела бы сейчас исправить

StarHit
Правило № 48. Как после развода остаться в свете Правило № 48. Как после развода остаться в свете

Гуру Алексей Ситников берется решить весь комплекс проблем

Tatler
Первые дни мамы и малыша дома: как ухаживать за новорожденным? Первые дни мамы и малыша дома: как ухаживать за новорожденным?

Впервые оставшись с ребенком одна, мама сталкивается с рядом вопросов и проблем

9 месяцев
Скандинавия на велосипеде: история одного путешествия Скандинавия на велосипеде: история одного путешествия

Отправиться в велопоездку по Скандинавии и почти за две недели преодолеть 830 км

РБК
Открыть в приложении