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
Оника Мараж и Дестини Хоуп: как на самом деле зовут мировых знаменитостей? Оника Мараж и Дестини Хоуп: как на самом деле зовут мировых знаменитостей?

Вспомним, как на самом деле зовут любимых звезд

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Непростые решения: когда близкий человек психически болен Непростые решения: когда близкий человек психически болен

Как помочь психическим больному человеку?

Psychologies
Ёлка, Юлия Хлынина, Владимир Яглыч, Алёна Бабенко и другие артисты прочитали рассказы Михаила Зощенко Ёлка, Юлия Хлынина, Владимир Яглыч, Алёна Бабенко и другие артисты прочитали рассказы Михаила Зощенко

Рассказ Михаила Зощенко в онлайн-проекте «Читай дома»

OK!
Дженнифер Лоуренс: горячие фото талантливой обладательницы «Оскара» Дженнифер Лоуренс: горячие фото талантливой обладательницы «Оскара»

Дженнифер Лоуренс — одна из тех актрис, которая поражает своими горячими фото

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

История судебника Ивана III

Наука и жизнь
Переговоры между военными делегациями КНДР и Республики Корея Переговоры между военными делегациями КНДР и Республики Корея

Пханмунчжом, 1983 год

Дилетант
Телепорт на газон и ДТП с трамваем: топ-7 странных ситуаций с водителями Телепорт на газон и ДТП с трамваем: топ-7 странных ситуаций с водителями

Самые необычные происшествия с водителями

РБК
Об «антисемитской сволочи»: почему Путин вернулся к теме сговора с Гитлером и за что досталось Польше Об «антисемитской сволочи»: почему Путин вернулся к теме сговора с Гитлером и за что досталось Польше

Почему именно Польше достается больше всего от российской пропаганды?

Forbes
Монголия, викторианская Англия и гейши: из чего состоит модная вселенная «Звездных войн» Монголия, викторианская Англия и гейши: из чего состоит модная вселенная «Звездных войн»

Вспоминаем костюмы культовой саги «Звездные войны» и их создателей

GQ
Высшая математика Высшая математика

Человек-легенда, математик, альпинист и собиратель livre d'artiste Марк Башмаков

Собака.ru
Подавленная агрессия: как не копить негатив Подавленная агрессия: как не копить негатив

Наши эмоции связаны с качеством дыхания

Psychologies
Скоро все случится! Скоро все случится!

Близится новогодняя ночь. Переживаете, что придется встретить ее в одиночестве?

StarHit
Изобретатели урожая Изобретатели урожая

Управляемый фотосинтез как будущее сельского хозяйства

Огонёк
Регенеративная медицина: будущее уже здесь Регенеративная медицина: будущее уже здесь

Общественность говорит о новой междисциплинарной науке - регенеративной медицине

Популярная механика
Топ-7 стран, где ты должен побывать в 2020 году Топ-7 стран, где ты должен побывать в 2020 году

Список необычных стран для путешествий

Playboy
В мире, где правила прописаны, жить намного проще В мире, где правила прописаны, жить намного проще

Эксперт по этикету, гуру дресс-кода — Татьяна Полякова

Собака.ru
Наука диалога Наука диалога

Профсоюзное объединение компании «ЛУКОЙЛ» отметило 25-летие

Огонёк
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
Торговля не заметила войны Торговля не заметила войны

На мировой торговле сказывается вовсе не противостояние США и Китая

Эксперт
«Этот закон сильно откинул Россию назад». Директор «Пионера» Мэри Назари о новых правилах кинопроката и бизнесе без попкорна «Этот закон сильно откинул Россию назад». Директор «Пионера» Мэри Назари о новых правилах кинопроката и бизнесе без попкорна

Интервью с генеральным директором кинотеатра «Пионер» Мэри Назари

Forbes
К какой роскоши тяготеют диктаторы К какой роскоши тяготеют диктаторы

Век большинства диктаторов короткий, но яркий

GQ
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
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
Мария Скокова Мария Скокова

Ее не называют иначе, чем музой Николя Жескьера

Собака.ru
«У общества сорвана резьба». Павел Костомаров — о митингах и «Эпидемии» «У общества сорвана резьба». Павел Костомаров — о митингах и «Эпидемии»

Интервью с Павлом Костомаровым съемках сериала «Эпидемия» и русском бунте

СНОБ
20-минутная тренировка груди в тренажерном зале, которая работает 20-минутная тренировка груди в тренажерном зале, которая работает

Гантели и коврик — все, что вам понадобится для эффективной тренировки груди

Cosmopolitan
Жгущие инвесторы: зачем диджеи The Chainsmokers вложились в текилу и Uber Жгущие инвесторы: зачем диджеи The Chainsmokers вложились в текилу и Uber

Зачем диджеям, зарабатывающим миллионы, доли в Uber, WeWord и Jaja Tequila?

Forbes
Необычные стили в украшениях, о которых вы мало знали Необычные стили в украшениях, о которых вы мало знали

Ювелирные изделия – это целая вселенная, в которой ещё много непознанного

Cosmopolitan
Открыть в приложении