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

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
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Квартира с графичным интерьером, 40 м² Квартира с графичным интерьером, 40 м²

Интерьер этой квартиры отражает образ и характер своей сдержанной хозяйки

AD
Джесси Айзенберг: «Талантливые люди всегда одиноки» Джесси Айзенберг: «Талантливые люди всегда одиноки»

Интервью с Джесси Айзенбергом о стеснительности и своем «неголливудском» образе

Cosmopolitan
Чек-лист: что делать с лицом, телом и волосами сразу после спорта Чек-лист: что делать с лицом, телом и волосами сразу после спорта

После тренировки кожа и волосы нуждаются в специальном уходе

Esquire
Секретарь Республики Секретарь Республики

Нормальная жизнь Никколо ди Бернардо деи Макиавелли оборвалась 16 декабря 1512 г

Наука и жизнь
Антон Утехин: Что движет двадцатилетними и как с ними работать Антон Утехин: Что движет двадцатилетними и как с ними работать

Новое поколение совсем не похоже на начальников и старших коллег

СНОБ
Фотоистория: пассажиры московского метро Фотоистория: пассажиры московского метро

Самые первые и самые последние посетители Московского метрополитена

Esquire
На кемадеро в санбенито На кемадеро в санбенито

Инквизиция на долгое время стала чуть ли не символом Испании

Дилетант
LADA XRAY Cross AT. Самое важное — это трансмиссия LADA XRAY Cross AT. Самое важное — это трансмиссия

Сегодня ребята из Тольятти всеми силами пытаются сломать стену стереотипов

4x4 Club
На все руки мастер: выбираем мультитул На все руки мастер: выбираем мультитул

Как выбрать мультитул и почему не стоит покупать китайские аналоги

CHIP
Топ-10 причин, почему пары расстаются чаще всего (спойлер: не из-за измен) Топ-10 причин, почему пары расстаются чаще всего (спойлер: не из-за измен)

Все пары разные, но проблемы у них часто похожи

Playboy
Доходность до 258%: сколько можно заработать, коллекционируя старые автомобили Доходность до 258%: сколько можно заработать, коллекционируя старые автомобили

Реставрация превращает старую машину в великолепный инвестиционный актив

Forbes
Как избавиться от герпеса: 12 эффективных способов борьбы с простудой на губе Как избавиться от герпеса: 12 эффективных способов борьбы с простудой на губе

Как вылечить герпес на губах — у вируса не останется никаких шансов

Playboy
7 вопросов Лиде Мониаве, директору фонда «Дом с маяком» 7 вопросов Лиде Мониаве, директору фонда «Дом с маяком»

О том, как власти вспомнили о больных детях и забыли о больных взрослых

Русский репортер
Как из соседей снова превратиться в супругов: 5 шагов к семейному счастью Как из соседей снова превратиться в супругов: 5 шагов к семейному счастью

Жизнь способна превратить любящих супругов в соседей

Psychologies
Худой психопат и толстый политик: Кристиан Бейл и все его трансформации в кино Худой психопат и толстый политик: Кристиан Бейл и все его трансформации в кино

Посмотрим, как Кристиан Бейл менялся для разных фильмов

Cosmopolitan
Интервью: звезда Интервью: звезда

Актер рассказал о своей семейной жизни, новом проекте и непростом карьерном пути

Esquire
Превышение полномочий: должна ли корпорация вмешиваться в личную жизнь сотрудников Превышение полномочий: должна ли корпорация вмешиваться в личную жизнь сотрудников

Насколько чувства могут подчиняться корпоративной культуре

Forbes
Правила жизни Эда Харриса Правила жизни Эда Харриса

Американский актер и кинорежиссер. Четырехкратный номинант на премию «Оскар

Esquire
«Дорогие штучки» с Тиной Канделаки: десять самых роскошных самолетов россиян «Дорогие штучки» с Тиной Канделаки: десять самых роскошных самолетов россиян

На каких самолетах летают российские миллиардеры?

Forbes
Компания, которая увела россиян с барахолок: как сеть Familia пережила кризисы и стала стоить под $1 млрд Компания, которая увела россиян с барахолок: как сеть Familia пережила кризисы и стала стоить под $1 млрд

Familia — крупнейшая в России компания в сегменте off-price

Forbes
Суда на подводных крыльях: 150 лет истории Суда на подводных крыльях: 150 лет истории

Концепция подводных крыльев прошла долгий путь

Популярная механика
Рецензия: Каким получился Рецензия: Каким получился

Почему Disney прямо на наших глазах совершает революцию в киноиндустрии

Esquire
Возраст и вес Возраст и вес

Почему с возрастом мы неминуемо набираем вес?

Здоровье
Конец чуда: как Боливия при Эво Моралесе выбралась из нищеты, но оказалась на пороге гиперинфляции и дефолта Конец чуда: как Боливия при Эво Моралесе выбралась из нищеты, но оказалась на пороге гиперинфляции и дефолта

Что ждет Боливию дальше?

Forbes
Сэмюэл Литтл — самый массовый серийный убийца в истории США, обладавший феноменальной памятью — он рисовал портреты своих жертв. Рассказываем его историю Сэмюэл Литтл — самый массовый серийный убийца в истории США, обладавший феноменальной памятью — он рисовал портреты своих жертв. Рассказываем его историю

Жертвами Сэмюэла Литтла преимущественно становились наркоманки и проститутки

Esquire
О чем расскажет туфелька О чем расскажет туфелька

Рисуем психологический портрет… по твоей любимой обуви

Лиза
Иттербий и твердотельные лазеры Иттербий и твердотельные лазеры

Что привлекает химиков на небольшом острове Ресарё?

Наука и жизнь
Открыть в приложении