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

Гигантская. Критические дни Бетельгейзе Гигантская. Критические дни Бетельгейзе

Разбираемся с причинами глубокого «обморока» Бетельгейзе

Наука и жизнь
До и после покрышки До и после покрышки

Автомобильную резину можно встретить не только на дороге, но и в самой дороге

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Кто из звезд с возрастом будет выглядеть лучше: эксперты о типах старения Кто из звезд с возрастом будет выглядеть лучше: эксперты о типах старения

Почему женщины стареют по-разному и какие факторы влияют на этот процесс?

Cosmopolitan
7 фактов, которые мужчины должны знать о женщинах 7 фактов, которые мужчины должны знать о женщинах

Что женщины считают важным донести до мужчин

Men’s Health
Призраки Рождества: чьи духи являются в праздничную ночь Призраки Рождества: чьи духи являются в праздничную ночь

Некоторые духи выбрали канун Рождества, чтобы напомнить людям о себе

Cosmopolitan
Почему комары кусают не всех Почему комары кусают не всех

Комары кусают не всех — это факт

Наука и жизнь
Последний из рода Юсуповых Последний из рода Юсуповых

В 1900 году Юсуповы составили завещание о передаче своих коллекций государству

Караван историй
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
Квартира для ценителей традиционного стиля, 97 м² Квартира для ценителей традиционного стиля, 97 м²

Дизайнеры использовали элементы в форме арок во всей квартире

AD
Мистер Хитмен Мистер Хитмен

За что мы так любим Робби Уильямса

Glamour
Нескучные интервальные тренировки для похудения Нескучные интервальные тренировки для похудения

Интервальные тренировки — так ли они эффективны для похудения

Cosmopolitan
Козыри на руках ОПЕК: почему сокращение добычи все еще имеет смысл Козыри на руках ОПЕК: почему сокращение добычи все еще имеет смысл

Ограничение картелем добычи по-прежнему будет поддерживать цены

Forbes
Вячеслав Караваев: «Если у футболиста не получается в России, советую ехать в Европу» Вячеслав Караваев: «Если у футболиста не получается в России, советую ехать в Европу»

Футболист «Зенита» рассказал нам о работе с Леонидом Слуцким и целях на 2020 год

GQ
9 вопросов к… 9 вопросов к…

9 вопросов к Екатерине Акхузиной, главе бренда «Меха Екатерина»

Glamour
Получи гиперборейский паспорт! Получи гиперборейский паспорт!

Самый желанный сувенир можно привезти из путешествия по Кольскому полуострову

Дилетант
Знак отличия Знак отличия

Чего только не вытворяли звезды в 2019-м! Главные события собрал «СтарХит»

StarHit
Самые значимые модные тренды уходящего десятилетия Самые значимые модные тренды уходящего десятилетия

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

Cosmopolitan
В каком состоянии Россия встречала Миллениум после ухода Ельцина: рассказывает политолог В каком состоянии Россия встречала Миллениум после ухода Ельцина: рассказывает политолог

В каком состоянии наша страна, прошедшая 1990-е, встречала третье тысячелетие

Esquire
Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера

За счет чего сахалинский предприниматель ведет успешный бизнес в Москве?

Forbes
Самовыдвиженец Галкин. Смехотерапия как лучший способ преодолеть стресс в тяжелые времена Самовыдвиженец Галкин. Смехотерапия как лучший способ преодолеть стресс в тяжелые времена

Сравнительно недавно никто из юмористов не отваживался подкалывать Путина

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
Десятки миллиардов рублей на поддержку малого бизнеса были потрачены напрасно Десятки миллиардов рублей на поддержку малого бизнеса были потрачены напрасно

Миллиардные траты на поддержку малого бизнеса не принесли пользы

Forbes
Несущие «Огонек» Несущие «Огонек»

Любое издание обречено отразить время и в разной степени — главного редактора

Огонёк
Ключ к Белому дому Ключ к Белому дому

Возврат к прежнему мироустройству не случится уже никогда, если Трамп победит

Эксперт
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
Если заела заеда Если заела заеда

Неприятное раздражение в углу рта причиняет серьёзное неудобство

Здоровье
6 уроков стиля от Брэда Питта 1990-х 6 уроков стиля от Брэда Питта 1990-х

Этот парень был хорош во все времена

GQ
Приговор самим себе. Почему государство боится 21-летнего Егора Жукова Приговор самим себе. Почему государство боится 21-летнего Егора Жукова

4 декабря Егор Жуков произнес свое последнее слово в судебном процессе

Forbes
Война и клир Война и клир

Андрей Кураев объясняет, как отделить добро от кулаков, а веру – от фанатизма

Esquire
Открыть в приложении