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

Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Место силы. Как устроен самый модный район Лиссабона и сколько здесь стоит счастливая жизнь Место силы. Как устроен самый модный район Лиссабона и сколько здесь стоит счастливая жизнь

Forbes Life продолжает рассказывать о самых ярких районах главных мировых столиц

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Одиночество – сволочь: что делать, если осталась в праздники одна Одиночество – сволочь: что делать, если осталась в праздники одна

Мы не собираемся тебя утешать, ты в этом и не нуждаешься

Cosmopolitan
«Судебник Владимира Гусева» и держава Ивана III «Судебник Владимира Гусева» и держава Ивана III

История судебника Ивана III

Наука и жизнь
Как превратить любимое хобби в бизнес? Реальная история Как превратить любимое хобби в бизнес? Реальная история

Как превратить хобби в дело, приносящее не только удовлетворение, но и доход

Cosmopolitan
Совершенно не секретно Совершенно не секретно

Какая бы ни приключилась беда, рядом обязательно прозвучит страшное слово HAARP

Популярная механика
«Нужно брать на работу людей умнее тебя» «Нужно брать на работу людей умнее тебя»

Девелопер Андрей Лушников выпустил книгу «Айкибизнес»

Собака.ru
6 ошибок при знакомстве с девушкой 6 ошибок при знакомстве с девушкой

Вот почему ты все еще женат на своей первой жене

Maxim
Симеон Богоприимец Симеон Богоприимец

Симеон Богоприимец — фигура загадочная и мистическая

Дилетант
Алый театр Алый театр

Эмма Уотсон о фильме «Маленькие женщины», борьбе за равенство и одиночестве

Vogue
Как паблик «Страдающее Средневековье» зарабатывает на мемах до нескольких сотен тысяч рублей в месяц Как паблик «Страдающее Средневековье» зарабатывает на мемах до нескольких сотен тысяч рублей в месяц

«Страдающее Средневековье» — проект на стыке бизнеса и просветительства с мемами

Forbes
Домашний арест. Какие ошибки допускают родители  при воспитании детей Домашний арест. Какие ошибки допускают родители  при воспитании детей

Пять элементов гармоничного воспитания малыша: руководство от суперняни

Forbes
Мука – не мука Мука – не мука

На полках магазинов десятки видов муки, но мы выбираем одну и ту же

Здоровье
Поддержание традиций делает нас моложе Поддержание традиций делает нас моложе

Иногда кажется, что каждый Новый год мы встречаем по одному сценарию

Psychologies
Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
Путешественник во времени Путешественник во времени

Какой момент из прошлого Гийом Кане хотел бы пережить вновь?

Grazia
Несбывшиеся ожидания. Что не так с законом о цифровых финансовых активах Несбывшиеся ожидания. Что не так с законом о цифровых финансовых активах

Закон о цифровых финансовых активах можно назвать одним из самых обсуждаемых

Forbes
Квартира в стиле 1970‑х, 66 м² Квартира в стиле 1970‑х, 66 м²

Квартира в советском стиле от Светланы Озеровой и Натальи Юнг

AD
Где смотреть фильмы, которые не попадают в массовый прокат? Где смотреть фильмы, которые не попадают в массовый прокат?

Советуем ходить на кинофестивали и рассказываем про самые заметные смотры

GQ
Фигура высшего пинотажа: каким получилось вино у миллиардера Галицкого Фигура высшего пинотажа: каким получилось вино у миллиардера Галицкого

Основатель розничной сети «Магнит» пробует себя в виноделии

Forbes
Влад Кадони: «Секс с Ольгой Орловой? Присутствует!» Влад Кадони: «Секс с Ольгой Орловой? Присутствует!»

Телеведущий Влад Кадони рассказал, почему до сих пор не женат

StarHit
Лукашин или Ипполит? Кого бы выбрала Надя, если пошла бы к психологу Лукашин или Ипполит? Кого бы выбрала Надя, если пошла бы к психологу

С кем все-таки лучше было остаться Наде – с Женей Лукашиным или с Ипполитом

Cosmopolitan
Новогодняя резолюция. Как составить свой финансовый план на следующий год Новогодняя резолюция. Как составить свой финансовый план на следующий год

Вы усердно работали весь год, но на счете снова нет денег. Почему?

Forbes
Последний из рода Юсуповых Последний из рода Юсуповых

В 1900 году Юсуповы составили завещание о передаче своих коллекций государству

Караван историй
Как нелегальный мигрант стал рэпером, который зарабатывает $100 000 за выступление Как нелегальный мигрант стал рэпером, который зарабатывает $100 000 за выступление

Рэпер 21 Savage — один из тех, кто попал в США ребенком и рос без документов

Forbes
«Хочу влюбиться и мечтаю завести семью» «Хочу влюбиться и мечтаю завести семью»

Как Миша Марвин относится к одиночеству и готов ли к семейным отношениям?

OK!
Модная ловушка Модная ловушка

Нужно ли тратить время и деньги и искать ответ на вопрос «Кто я?»

Лиза
Я не стар, я суперстар: самые горячие звездные дедушки Я не стар, я суперстар: самые горячие звездные дедушки

Сложно поверить в то, что эти симпатичные мужчины гордо называют себя дедушками

Cosmopolitan
Как человечество себя из себя выводило Как человечество себя из себя выводило

Про науку евгенику, людей улучшающую, и про то, почему эту евгенику запретили

Maxim
Открыть в приложении