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

Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Режим «деликатный»: как стирать бельё в стиральной машине Режим «деликатный»: как стирать бельё в стиральной машине

Секреты, которые помогут сохранить качество ткани и яркость цвета

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Как повысить доход и обезопасить себя, работая на фрилансе Как повысить доход и обезопасить себя, работая на фрилансе

Что такое самозанятость и зачем она нужна, если ты сама себе хозяйка

Cosmopolitan
Вулканы, которых не было Вулканы, которых не было

Самые знаменитые выдуманные вулканы

Вокруг света
Почему мы все станем энергетиками? Почему мы все станем энергетиками?

Бережное отношение к ресурсам — тренд, который изменит энергетическую отрасль

Forbes
Драгоценное зернышко Драгоценное зернышко

Золотодобыча в современных условиях

Популярная механика
«У нас все хорошо». Абсурд, комизм и ужас спектакля Дороты Масловской «У нас все хорошо». Абсурд, комизм и ужас спектакля Дороты Масловской

Как прошла премьера спектакля «У нас все хорошо»

СНОБ
Молодильные яблоки: польза и вред фруктов для организма Молодильные яблоки: польза и вред фруктов для организма

Мы привыкли считать, что фрукты – это кладезь витаминов. Так ли это?

Cosmopolitan
«Пушистый директор»: почему сотрудникам Ford разрешили приводить на работу собак «Пушистый директор»: почему сотрудникам Ford разрешили приводить на работу собак

Финансовый директор Ford Тим Стоун, назначенный летом, пришел в компанию не один

Forbes
8 признаков того, что нужно срочно вызывать врача при температуре 8 признаков того, что нужно срочно вызывать врача при температуре

Иногда высокая температура может быть сигналом к немедленному обращению к врачу

Популярная механика
Подлинный Пестель Подлинный Пестель

Раритетный портрет Павла Ивановича Пестеля

Дилетант
Брендам здесь не место: почему после введения антисанкций в России перестали появляться новые сильные марки Брендам здесь не место: почему после введения антисанкций в России перестали появляться новые сильные марки

От чего же зависит успех нового бренда?

Forbes
Надо брать и делать Надо брать и делать

Что такое успех? Где брать для этого силы? Своим опытом поделился Иван Привалов

Лиза
Вопрос на засыпку: что делать, если волосы быстро жирнятся Вопрос на засыпку: что делать, если волосы быстро жирнятся

Грязные и вязкие волосы уже в первый день после мытья?

Cosmopolitan
Колонка Esquire: Владимир Познер — о причинах бедности в России Колонка Esquire: Владимир Познер — о причинах бедности в России

Владимир Познер рассуждает о проблеме бедности и находит её три главные причины

Esquire
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
Сильный ход в глобальной газовой партии Сильный ход в глобальной газовой партии

Россия выстраивает стратегию реконфигурации мирового газового рынка

Эксперт
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
Арабские сказки: способен ли Эр-Рияд залить мир дешевой нефтью? Арабские сказки: способен ли Эр-Рияд залить мир дешевой нефтью?

Принц Абдулазиз бин Салман призвал рынок «доверять и верить»

Forbes
Валерий Легасов: Высвечено Чернобылем Валерий Легасов: Высвечено Чернобылем

В издательстве «АСТ» вышла книга «Высвечено Чернобылем»

СНОБ
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
20 лучших сериалов десятилетия: выбор Esquire 20 лучших сериалов десятилетия: выбор Esquire

Георгий Биргер выбрал 20 самых влиятельных сериалов эпохи

Esquire
Грозная мать Грозная мать

Елена Глинская — мать Ивана IV — по грозности не уступала знаменитому сыну

Дилетант
«Бизнес с шестью нулями»: сын миллиардера Фридмана занялся жвачкой Love Is и постпохмельным напитком «Бизнес с шестью нулями»: сын миллиардера Фридмана занялся жвачкой Love Is и постпохмельным напитком

Единственный сын миллиардера Михаила Фридмана занялся поставками жвачки

Forbes
Как за полгода покорить 14 высочайших гор мира? Как за полгода покорить 14 высочайших гор мира?

Нирмал Пурджа покорил самые страшные горы и спас по пути несколько жизней

GQ
Pulsar 100: бензин из будущего Pulsar 100: бензин из будущего

АИ-92, АИ-95, АИ-98… бензины с этими цифровыми индексами — привычный товар АЗС

Популярная механика
Прекрасное сейчас: когда все хорошо и когда все плохо Прекрасное сейчас: когда все хорошо и когда все плохо

Из чего сделано счастье?

Yoga Journal
Как правильно стирать и сушить шапку: полезные лайфхаки Как правильно стирать и сушить шапку: полезные лайфхаки

Как правильно ухаживать за шапкой в домашних условиях

Cosmopolitan
Любовь творит чудеса Любовь творит чудеса

Разговор с учредителем фонда помощи недоношенным детям Натальей Зоткиной

Домашний Очаг
Открыть в приложении