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
Достопримечательность города Достопримечательность города

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

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

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

Как работается оппозиционному депутату Дарье Бесединой

Русский репортер
Глава 1: Москва Глава 1: Москва

Ты говорил, город – сила. А здесь слабые все

Esquire
Львиная доля Львиная доля

Откуда появился поп-певец Лев Деньгов

GQ
Европейская оборона Европейская оборона

Между выводом американских войск и «разумной достаточностью»

Деньги
Игра света! Игра света!

Глава компании «ИЛЛЮМИНАРИЙ3000» о том, почему световой дизайн так востребован

Cosmopolitan
Вселенная возможностей: частные стартапы начинают осваивать космос Вселенная возможностей: частные стартапы начинают осваивать космос

Негосударственные компании собираются добывать ресурсы на Луне

РБК
«У общества сорвана резьба». Павел Костомаров — о митингах и «Эпидемии» «У общества сорвана резьба». Павел Костомаров — о митингах и «Эпидемии»

Интервью с Павлом Костомаровым съемках сериала «Эпидемия» и русском бунте

СНОБ
Взгляд сверху Взгляд сверху

Седаны, универсалы, хетчбэки и купе скоро канут в Лету

Robb Report
Жена одного из первых инвесторов Google подала на него в суд из-за продажи стартапа по «смешной цене» Жена одного из первых инвесторов Google подала на него в суд из-за продажи стартапа по «смешной цене»

Скотт Хассан вот уже несколько лет ведет тяжелый бракоразводный процесс

Forbes
Андрей Малахов после звездных скандалов закрыл журнал «СтарХит» и покинул сайт Андрей Малахов после звездных скандалов закрыл журнал «СтарХит» и покинул сайт

47-летний Андрей Малахов объявил о закрытии своего журнала

Cosmopolitan
Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды

Каково это - жить, когда видишь только половиной левого глаза

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
Как перейти к другому оператору с сохранением номера: пошаговая инструкция Как перейти к другому оператору с сохранением номера: пошаговая инструкция

Сменить мобильного оператора? Как это правильно сделать и не потерять свой номер

CHIP
Без эффекта маски: 8 случаев, когда от ботокса лучше отказаться Без эффекта маски: 8 случаев, когда от ботокса лучше отказаться

За годы ботокс успел накопить в свой адрес несколько претензий

Cosmopolitan
Самые значимые модные тренды уходящего десятилетия Самые значимые модные тренды уходящего десятилетия

Какие вещи в нашем гардеробе были самыми модными в 2010-х?

Cosmopolitan
Семейный подряд Семейный подряд

Сериал «Любовь матери» свел на одной площадке Мурило Бенисио и его старшего сына

StarHit
Можно ли из-за амнезии стать другим человеком? Можно ли из-за амнезии стать другим человеком?

Чейз Эмброз — обычный подросток, с которым приключилась самая необычная вещь

Psychologies
8 самых инстаграмных мест мира, куда все едут сфотографироваться 8 самых инстаграмных мест мира, куда все едут сфотографироваться

Люди едут туда за самыми незабываемыми снимками

Playboy
Заразиться, чтобы выжить: как работают вакцины Заразиться, чтобы выжить: как работают вакцины

Сезон гриппа – самое подходящее время поговорить о вакцинах

Популярная механика
О природе и типах детских страхов О природе и типах детских страхов

Как нас пугали? Чего мы боялись в детстве, а может, боимся и до сих пор?

СНОБ
Подкачка на ходу и собачий режим: самые интересные разработки года Подкачка на ходу и собачий режим: самые интересные разработки года

Необычные разработки 2019 года

РБК
«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
Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask? Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask?

Фрагмент из новой книги Игоря Савельева

СНОБ
Симба, Добрыня, Евангелина и другие необычные имена звездных детей Симба, Добрыня, Евангелина и другие необычные имена звездных детей

Кто из российских знаменитостей давал детям необычные имена

Cosmopolitan
Краткая история бесплатной юридической помощи Краткая история бесплатной юридической помощи

Автор-аноним рассказывает о судебной системе Великобритании

СНОБ
Без шума и пыли: электрический болид Penske EV-4 Без шума и пыли: электрический болид Penske EV-4

Поддержка экологических инициатив в автоспорте – реальный способ помочь планете

Популярная механика
Все свои Все свои

Семь инсайдеров модной индустрии превратили свой опыт в семь камерных марок

Vogue
Открыть в приложении