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

«У нас нет хлеба, мы умираем» «У нас нет хлеба, мы умираем»

Массовый голод с человеческими жертвами в СССР случался неоднократно

Дилетант
Семейная ценность Семейная ценность

Дочь директора ГУМа Софию Гугуберидзе после учебы отправили в Тбилиси

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Как вывести пятно с ткани: лучшие народные рецепты Как вывести пятно с ткани: лучшие народные рецепты

Домашними средствами можно справиться с любыми загрязнениями

Cosmopolitan
Телегония, сода для омоложения и другие ошибки советской науки Телегония, сода для омоложения и другие ошибки советской науки

Советские исследователи-биологи безнадежно отставали от западных коллег

Популярная механика
Колонка Esquire: Владимир Познер — о причинах бедности в России Колонка Esquire: Владимир Познер — о причинах бедности в России

Владимир Познер рассуждает о проблеме бедности и находит её три главные причины

Esquire
Карина-вирус! Карина-вирус!

В это тревожное время героиней обложки стала главная медсестра страны

Maxim
Понять непостижимое: в чем секрет черных дыр Понять непостижимое: в чем секрет черных дыр

Черные дыры: это как заглянуть во врата ада, за пределы пространства и времени

Популярная механика
Во всём блеске Во всём блеске

Интерьер для молодой и успешной заказчицы, которая любит во всём белый цвет

SALON-Interior
Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах

Почему нужно бороться с ложными лингвистическими теориями и что не так с ЕГЭ?

РБК
13 книг, которые примиряют с жизнью 13 книг, которые примиряют с жизнью

Эти книги могут вызвать улыбку или слезы, и далеко не все из них — легкое чтиво

Psychologies
Девушка-фиалка: как выбрать идеальный фиолетовый цвет волос Девушка-фиалка: как выбрать идеальный фиолетовый цвет волос

Фиолетовый издавна считался королевским цветом и был овеян ореолом мистики

Cosmopolitan
Лига с доходностью выше, чем у Уоррена Баффетта: самые дорогие клубы НХЛ Лига с доходностью выше, чем у Уоррена Баффетта: самые дорогие клубы НХЛ

Forbes назвал самые дорогие команды Национальной хоккейной лиги

Forbes
Что такое шейпинг: виды, упражнения, программа тренировок Что такое шейпинг: виды, упражнения, программа тренировок

Шейпинг поможет достичь женственной фигуры без чрезмерной мышечной массы

Cosmopolitan
Диетические котлеты, от которых вы точно не поправитесь Диетические котлеты, от которых вы точно не поправитесь

Следите за весом и считаете калории?

Cosmopolitan
Йод: жжёт, разгоняет облака и выявляет некачественный мёд Йод: жжёт, разгоняет облака и выявляет некачественный мёд

Этот химический элемент сопровождает нас практически с рождения

Наука и жизнь
Проблемное место Проблемное место

Жить без трудностей не только скучно, но и вредно для здоровья

GQ
Непростые решения: когда близкий человек психически болен Непростые решения: когда близкий человек психически болен

Как помочь психическим больному человеку?

Psychologies
Пальчиковая медицина: скорая помощь при негативных эмоциях Пальчиковая медицина: скорая помощь при негативных эмоциях

Что делать, если переживания «накатывают» не вовремя?

Psychologies
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
Новогодняя лихорадка Новогодняя лихорадка

Как разумно спланировать праздник и не разориться на подарках

Лиза
Как полюбить спорт: 9 правил от спортсменов Как полюбить спорт: 9 правил от спортсменов

Как научиться находить внутреннюю силу — не только в спорте

Esquire
Самые главные витамины для потенции у мужчин: мастхэв на все времена Самые главные витамины для потенции у мужчин: мастхэв на все времена

Забудь про виагру, дружище, это не витаминки

Playboy
Львиная доля Львиная доля

Откуда появился поп-певец Лев Деньгов

GQ
Достопримечательность города Достопримечательность города

Бордели с человекоподобными куклами – новый тренд или это уже слишком?

Playboy
Каникулы. Перезагрузка Каникулы. Перезагрузка

Зимние каникулы – время для того, чтобы стать красивее, стройнее и здоровее

Домашний Очаг
Мощное средство Мощное средство

Бытовая химия стала популярной после создания яркого бренда

Forbes
Трезвый подход к романтическим отношениям: советы коуча Трезвый подход к романтическим отношениям: советы коуча

В начале романтических отношений мы часто теряем голову

Psychologies
Нескучные интервальные тренировки для похудения Нескучные интервальные тренировки для похудения

Интервальные тренировки — так ли они эффективны для похудения

Cosmopolitan
Создай модные кудри! Как красиво завить волосы за пару минут Создай модные кудри! Как красиво завить волосы за пару минут

Натуральные крупные и мелкие кудри снова популярны!

Cosmopolitan
Открыть в приложении