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

«Вечный силлабаб» «Вечный силлабаб»

Старинный английский десерт с забавным названием «силлабаб»

Наука и жизнь
Один день одного года Один день одного года

Вся Россия в 750 снимках

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Сердце пустыни: 7 причин посетить Абу-Даби и пожить, как в восточной сказке Сердце пустыни: 7 причин посетить Абу-Даби и пожить, как в восточной сказке

Декабрь — лучшее время, чтобы отправиться отдыхать на жаркий восток

Cosmopolitan
Бренды образования Бренды образования

Как попасть в престижный университет и стоит ли туда стремиться?

Forbes
Илон Маск и его конкуренты: 3 компании, которые уже в ближайшие годы начнут доставлять туристов в космос Илон Маск и его конкуренты: 3 компании, которые уже в ближайшие годы начнут доставлять туристов в космос

Самые вероятные кандидаты в космические туроператоры ближайшего будущего

Esquire
Михаил Горбачёв: «Лёша, б...!» Михаил Горбачёв: «Лёша, б...!»

Президент Горбачёв не смотрел сериал «Чернобыль», но очень им интересовался

Дилетант
Задействуй весь функционал! Как использовать насадки для волос Задействуй весь функционал! Как использовать насадки для волос

Какие насадки для волос бывают и как ими пользоваться

Cosmopolitan
8 абсолютно бесполезных вещей, которые точно есть у тебя дома (спорим?) 8 абсолютно бесполезных вещей, которые точно есть у тебя дома (спорим?)

Просто задумайся — зачем оно тебе?

Playboy
Квартира для молодого человека, картины и кота, 55 м² Квартира для молодого человека, картины и кота, 55 м²

Заказчик был против ярких цветов, но в процессе ремонта изменил своё мнение

AD
Испанская тетрадь: Владимир Познер о самоцензуре, долге священника, врача и журналиста Испанская тетрадь: Владимир Познер о самоцензуре, долге священника, врача и журналиста

Отрывок из книги Владимира Познера «Испанская тетрадь. Субъективный взгляд»

Forbes
Доктор Оливье Куртен-Кларанс — об уходе за кожей и семейном бизнесе Доктор Оливье Куртен-Кларанс — об уходе за кожей и семейном бизнесе

Оливье Куртен-Кларанс встретился с «РБК Стиль» во время своего приезда в Москву

РБК
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
Самые значимые модные тренды уходящего десятилетия Самые значимые модные тренды уходящего десятилетия

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

Cosmopolitan
Как миллиардеры учат своих рабочих любить современное искусство Как миллиардеры учат своих рабочих любить современное искусство

Как выглядят уроки современного искусства для жителей России

Forbes
У каждого авто запах особый: развиваем нюх на неполадки У каждого авто запах особый: развиваем нюх на неполадки

Помните, как пахла ваша новая машина?

Популярная механика
15 мыслей Сергея Мазаева 15 мыслей Сергея Мазаева

Основатель группы «Моральный кодекс» подвел пару итогов

GQ
Оформляют бамперы, попадают под КамАЗы: что делать после ДТП на трассе Оформляют бамперы, попадают под КамАЗы: что делать после ДТП на трассе

Почему после аварии на трассе не стоит ждать инспекторов на месте столкновения

РБК
Умный чип спешит на помощь Умный чип спешит на помощь

Искусственному интеллекту нужны специальные процессоры

Эксперт
«Особый взгляд» для особых людей «Особый взгляд» для особых людей

В Москве прошел первый российский фестиваль социального театра «Особый взгляд»

СНОБ
«Второй половинке» в романтическом лексиконе не место! «Второй половинке» в романтическом лексиконе не место!

Пора избавляться от замшелых представлений о взаимоотношениях мужчины и женщины

Playboy
Федор Бондарчук — о новом российском кино, технике и Александре Петрове Федор Бондарчук — о новом российском кино, технике и Александре Петрове

Каким было уходящее десятилетие и чего не хватает в российском кино?

РБК
Узелок на память Узелок на память

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

Добрые советы
Трагедия Роберта Шлегеля. Берет ли Запад политических пленных Трагедия Роберта Шлегеля. Берет ли Запад политических пленных

Можно испытывать злорадство, но последствия могут быть глубже, чем кажется

СНОБ
Наука диалога Наука диалога

Профсоюзное объединение компании «ЛУКОЙЛ» отметило 25-летие

Огонёк
Конец передела: как зять миллиардера Тимченко создал морского монстра с выручкой 22 млрд рублей Конец передела: как зять миллиардера Тимченко создал морского монстра с выручкой 22 млрд рублей

Русская компания Глеба Франка растолкала конкурентов по промыслу краба

Forbes
Кейт Миддлтон превратила принца Уильяма из мачо в подкаблучника: фотодокументы Кейт Миддлтон превратила принца Уильяма из мачо в подкаблучника: фотодокументы

Кейт Миддлтон и принц Уильям начали отношения, когда им было по 20 лет

Cosmopolitan
Крис всемогущий Крис всемогущий

Где еще в ближайшее время мы увидим актера Криса Хемсворта

Grazia
Богатенький Буратино: как накопить деньги на покупку мечты Богатенький Буратино: как накопить деньги на покупку мечты

Научись копить деньги прямо сейчас, и мечты станут реальностью

Cosmopolitan
Исследователи обнаружили конфликт отцов и детей в семьях российских миллионеров Исследователи обнаружили конфликт отцов и детей в семьях российских миллионеров

В состоятельных семьях возможны конфликты поколений

Forbes
Открыть в приложении