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
20 явлений эпохи 2010-х 20 явлений эпохи 2010-х

Главные слова, определившие технологический облик времени

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Богини и горшки Богини и горшки

Новоиспеченные художницы рассказали, что же они нашли в грубой глине

Vogue
15 мыслей Владимира Машкова 15 мыслей Владимира Машкова

Владимир Машков — о счастье, страхе, журналистах и новом спектакле

GQ
Пенсионеры-герои Пенсионеры-герои

Десять человек, для которых старость стала самым захватывающим периодом жизни!

Maxim
Не жалея ни женщин, ни детей Не жалея ни женщин, ни детей

Процесс по делу об айнзацгруппах в Нюрнберге

Дилетант
Как пережить подготовку к праздникам Как пережить подготовку к праздникам

Как избежать стресса в этот непростой период праздников?

Psychologies
«Идеальная няня»: монстр в вашей детской «Идеальная няня»: монстр в вашей детской

Идеальная няня будет любить ваших детей. Возможно, даже слишком сильно

Psychologies
5 самых странных алкогольных напитков: от золотого шнапса до пива из помоев 5 самых странных алкогольных напитков: от золотого шнапса до пива из помоев

Культура изготовления алкоголя идет бок о бок с человеческой цивилизацией

Популярная механика
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
Михаил Борисов «Боюсь высоких женщин» Михаил Борисов «Боюсь высоких женщин»

Телеведущий поделился секретом, как соблазнить слабый пол

StarHit
Майор Кун: судьба заговорщика Майор Кун: судьба заговорщика

После покушения на Гитлера, Иоахим Кун оказался на советской линии фронта

Дилетант
Атомная блондинка Атомная блондинка

Анастасия Калманович рассказала свою историю беспокойных 1990-х

Esquire
Нарушение обоняния Нарушение обоняния

Периодически обонятельная чувствительность ухудшается или, наоборот, обостряется

Здоровье
Голос природы. Тест-драйв Audi A6 и Audi A8 в Провансе Голос природы. Тест-драйв Audi A6 и Audi A8 в Провансе

Путешествуем по Провансу на самых солидных седанах марки Audi

РБК
7 причин, почему у тебя до сих пор нет кубиков пресса, хотя ты его качаешь 7 причин, почему у тебя до сих пор нет кубиков пресса, хотя ты его качаешь

Основные причины, почему у тебя нет кубиков пресса

Playboy
«Когда я выходила замуж, даже не думала, что так бывает» «Когда я выходила замуж, даже не думала, что так бывает»

Теперь награды в семье Вайнштейнов-Батыршиных зарабатывают дети

OK!
«Страна чародеев» — вселенная русских саамов «Страна чародеев» — вселенная русских саамов

Какая она, русская Лапландия, родина лопарей

Дилетант
Мы почти что собственными руками строили новый ресторан Матильды Шнуровой Мы почти что собственными руками строили новый ресторан Матильды Шнуровой

Матильда Шнурова открывает новый ресторан

GQ
Самый простой и наиболее действенный способ продлить жизнь Самый простой и наиболее действенный способ продлить жизнь

Человечество веками ищет эликсир вечной молодости или хотя бы бессмертия

Популярная механика
Как почистить сливной фильтр в стиральной машине: пошаговая инструкция Как почистить сливной фильтр в стиральной машине: пошаговая инструкция

Прочистка сливного фильтра - операция, которую стоит периодически проводить

CHIP
Карьерные страшилки. Какие мифы о работе будущего пора развенчать Карьерные страшилки. Какие мифы о работе будущего пора развенчать

Заменят ли нас роботы, опустеют ли миллионы офисов?

Forbes
6 причин, почему с возрастом люди теряют друзей: мнение экспертов 6 причин, почему с возрастом люди теряют друзей: мнение экспертов

Увы, не все друзья остаются с нами навсегда

Playboy
Взгляд сверху Взгляд сверху

Седаны, универсалы, хетчбэки и купе скоро канут в Лету

Robb Report
Карьера с пеленок: как развивается рынок тестов на врожденные способности Карьера с пеленок: как развивается рынок тестов на врожденные способности

Не за горами время, когда с помощью анализа ДНК можно будет моделировать карьеру

РБК
Падают и сами в штабеля укладываются Падают и сами в штабеля укладываются

Как заинтересовать любого парня всего за один ужин?

Cosmopolitan
Алкоголик поневоле: непьющие звезды, которые сыграли пьяниц. Что из этого вышло? Алкоголик поневоле: непьющие звезды, которые сыграли пьяниц. Что из этого вышло?

Многие актеры никогда не пробовали ничего крепче вина, хотя играли алкоголиков

Cosmopolitan
Путь «диктатора» Путь «диктатора»

Почему князь Трубецкой не пришёл на Сенатскую площадь?

Дилетант
6 способов избавиться от темных кругов под глазами всего за 20 минут 6 способов избавиться от темных кругов под глазами всего за 20 минут

Способы, которые помогут тебе стать свежее и привлекательнее всего за 20 минут

Playboy
Открыть в приложении