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

Цивилизация Цивилизация

Они одними из первых освоили инженерию, завели армию, монархию и дипломатию

Вокруг света
Любовь как наваждение: почему мы маскируем этим чувством свои проблемы Любовь как наваждение: почему мы маскируем этим чувством свои проблемы

Как мы используем партнера, чтобы ослабить страхи или переживания

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«Опасаться подорожания не стоит» «Опасаться подорожания не стоит»

Зачем понадобился закон о предустановке российского программного обеспечения?

Огонёк
Сирша Ронан. Свободное плавание Сирша Ронан. Свободное плавание

К своим двадцати пяти годам актриса была уже трижды номинирована на «Оскар»

Караван историй
Трагические судьбы звезд фигурного катания: убийства, страшные диагнозы и суицид Трагические судьбы звезд фигурного катания: убийства, страшные диагнозы и суицид

Судьбы многих знаменитых фигуристов сложились трагически

Cosmopolitan
Крестовый психоз бедноты Крестовый психоз бедноты

Крестовый поход бедноты запомнился грабежами и массовыми убийствами

Дилетант
Глубоко в душе: 8 секс-позиций для секса в душевой кабине Глубоко в душе: 8 секс-позиций для секса в душевой кабине

В фильмах секс под душем всегда классный, но в реальности есть много нюансов

Cosmopolitan
Как инстаграм повлиял на наше понимание красоты Как инстаграм повлиял на наше понимание красоты

Почему мы входим в 2020 год с ужасающими последствиями диджитал-бума

Esquire
«Экономических оснований для развала СССР не было» «Экономических оснований для развала СССР не было»

Приближающаяся очередная годовщина распада СССР — дата некруглая

Огонёк
Жасмин Одемар, Audemars Piguet — о семейном бизнесе и часах Code 11.59 Жасмин Одемар, Audemars Piguet — о семейном бизнесе и часах Code 11.59

Интервью с президентом совета директоров Audemars Piguet

РБК
5 правил красоты и здоровья 5 правил красоты и здоровья

Как надолго сохранить женское здоровье, молодость и красоту?

Лиза
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
Поле боя Поле боя

Флорентийский кальчо заинтересовал меня не жестокостью и не спортивным духом

Esquire
Топ-5 вырезанных сцен из культовых фильмов, которые могли бы все изменить Топ-5 вырезанных сцен из культовых фильмов, которые могли бы все изменить

Нас лишили множества интересных моментов в культовых фильмах

Playboy
Кукурузные хлопья для борьбы с мастурбацией: как появились знакомые нам продукты Кукурузные хлопья для борьбы с мастурбацией: как появились знакомые нам продукты

Откуда появились эти блюда, из чего раньше делались и как стали популярными

Популярная механика
Аутизм аутизму рознь: три формы расстройства по степени тяжести Аутизм аутизму рознь: три формы расстройства по степени тяжести

О симптомах аутизма заговорили задолго до появления самого термина

Psychologies
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
Как замаскировать засос, чтобы никто ничего не заметил: проверенные способы Как замаскировать засос, чтобы никто ничего не заметил: проверенные способы

Делимся самыми эффективными техниками любого уважающего себя казановы

Playboy
Сознание дремлет Сознание дремлет

Интервью с президентом Фонда общественного мнения Александром Ослоном

Эксперт
Семечки подсолнуха: польза для организма и вред от злоупотребления Семечки подсолнуха: польза для организма и вред от злоупотребления

Семечки подсолнуха — здоровая закуска, которую стоит добавить в свой рацион?

Playboy
Алкогений: Ив Сен-Лоран Алкогений: Ив Сен-Лоран

История алкогольной зависимости знаменитого французского модельера Ив Сен-Лорана

Maxim
Топ полезных советов: что можно и что нельзя стирать в стиральной машине Топ полезных советов: что можно и что нельзя стирать в стиральной машине

Самое главное – не забывайте сверяться с этикеткой каждой конкретной вещи

Cosmopolitan
Будущее российского мусора: как перерабатывают отходы в XXI веке Будущее российского мусора: как перерабатывают отходы в XXI веке

Попмех выяснил, как работает экотехнопарк «Калуга»

Популярная механика
Виктория Дайнеко: «Жить без секса? Легко! Только зачем?» Виктория Дайнеко: «Жить без секса? Легко! Только зачем?»

Певица – об идеальном мужчине, поддержке близкого друга и о жизни с дочерью

StarHit
Улыбаемся и пляшем Улыбаемся и пляшем

Что таится за дьявольской улыбкой этой демонической фигуры?

Playboy
Украсть и продать табличку из Центрального парка — это искусство? Вопрос дня Украсть и продать табличку из Центрального парка — это искусство? Вопрос дня

Там, где политическая оппозиция слаба, в игру вступает искусство

СНОБ
Потерпят ли французы бесчестья груз Потерпят ли французы бесчестья груз

Непонимание между властью и обществом во Франции только усиливается

Эксперт
Каково это — бросить прибыльный бизнес и открыть сеть кулинарных студий по всему миру Каково это — бросить прибыльный бизнес и открыть сеть кулинарных студий по всему миру

О геймификации и экономике впечатлений как о современной тенденции на рынке

Esquire
Закончилась «Силиконовая долина» — остроумная и точная хроника уходящего десятилетия. Рассказываем, каким получился финал сериала Закончилась «Силиконовая долина» — остроумная и точная хроника уходящего десятилетия. Рассказываем, каким получился финал сериала

Как интернет-технологии превратились из главной надежды мира в его проклятие

Esquire
Открыть в приложении