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

Верные слуги короля Верные слуги короля

С XVII века королевские мушкетёры стали привилегированными войсками

Дилетант
Поколение Аlpha: чем дети миллениалов отличаются от всех нас Поколение Аlpha: чем дети миллениалов отличаются от всех нас

Результаты исследования поколения Alpha и новой детской интернет-культуры

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Каково это — отметить Новый год в поезде Москва – Санкт-Петербург Каково это — отметить Новый год в поезде Москва – Санкт-Петербург

Александра Сивцова записала истории людей, которые встретили новый год в дороге

Esquire
“Я считаю секс скучным” “Я считаю секс скучным”

Алексей Шевцов готов прожить всю жизнь без физической близости

Psychologies
Карьерный апокалипсис: как не потерять работу после 30 лет в мире, которым правят 20-летние Карьерный апокалипсис: как не потерять работу после 30 лет в мире, которым правят 20-летние

Законы построения карьеры становятся похожи на правила венчурного мира

Forbes
Растущий на обочине Растущий на обочине

Да, пожалуй, ни одну из дорог невозможно представить без этого растения

Наука и жизнь
Главные победы российского спорта в 2019 году Главные победы российского спорта в 2019 году

Рассказываем о лучшем, что происходило с нашим спортом за 2019 год

GQ
Что делать, если вы «застряли» Что делать, если вы «застряли»

Порой нас охватывает чувство полной безысходности и кажется, так будет всегда

Psychologies
Минимализм для миллениалов Минимализм для миллениалов

Новый дизайн упаковки увеличил продажи Брянского молочного комбината

Forbes
Взгляд сверху Взгляд сверху

Седаны, универсалы, хетчбэки и купе скоро канут в Лету

Robb Report
На всякий пожарный: как собрать «тревожный чемоданчик» На всякий пожарный: как собрать «тревожный чемоданчик»

Не лишним будет подготовиться и к ситуациям, о которых думать даже не хочется

Популярная механика
Как перейти к другому оператору с сохранением номера: пошаговая инструкция Как перейти к другому оператору с сохранением номера: пошаговая инструкция

Сменить мобильного оператора? Как это правильно сделать и не потерять свой номер

CHIP
7 поводов для эпизиотомии 7 поводов для эпизиотомии

Что такое эпизиотомия и прочему её необходимо делать?

9 месяцев
Главные разочарования российского спорта в 2019 году Главные разочарования российского спорта в 2019 году

Вспоминаем, какие поражения в этом году оказались самыми болезненными.

GQ
Возвращение в Острог Возвращение в Острог

Пролог и первые две главы из пятого романа Саши Филипенко

Esquire
Квартира в высотке на Красных Воротах, 60 м² Квартира в высотке на Красных Воротах, 60 м²

Современный интерьер, сохранивший черты сталинского ампира

AD
Юрий Вагин: Доктор, это секс, дружба или любовь? Отрывок из книги Юрий Вагин: Доктор, это секс, дружба или любовь? Отрывок из книги

Секреты счастливой личной жизни от психотерапевта

СНОБ
Сценарий созависимости: когда пора отделить себя от других и как это сделать Сценарий созависимости: когда пора отделить себя от других и как это сделать

Как вернуть себя и изменить вредный сценарий полной самоотдачи

Psychologies
Без вины виноватые: вредят ли скандалы модным брендам Без вины виноватые: вредят ли скандалы модным брендам

В эпоху соцсетей скандалы с участием модных брендов разгораются стабильно

GQ
Исследователи обнаружили конфликт отцов и детей в семьях российских миллионеров Исследователи обнаружили конфликт отцов и детей в семьях российских миллионеров

В состоятельных семьях возможны конфликты поколений

Forbes
Почему стоит посмотреть сериал «Чернобыль» Почему стоит посмотреть сериал «Чернобыль»

Публикуем главу об одном из самых нашумевших сериалов этого года — «Чернобыле»

СНОБ
«Дом с прислугой», который построил М. Найт Шьямалан «Дом с прислугой», который построил М. Найт Шьямалан

В самом разгаре мистический триллер М. Найта Шьямалана «Дом с прислугой»

РБК
Как перестать мучиться вопросом «Что скажут люди?» Как перестать мучиться вопросом «Что скажут люди?»

Эллен Хендриксен советует, как перестать тревожиться о том, что скажут люди

Psychologies
Квартира дизайнера в сталинском доме, 80 м² Квартира дизайнера в сталинском доме, 80 м²

В своей квартире дизайнер восстановила историческую лепнину и двери с филенками

AD
Запасной аэродром: что известно о секретном стартапе основателя Google Ларри Пейджа Запасной аэродром: что известно о секретном стартапе основателя Google Ларри Пейджа

Kitty Hawk пытается создать летательные аппараты, которые заменят автомобили

Forbes
Симеон Богоприимец Симеон Богоприимец

Симеон Богоприимец — фигура загадочная и мистическая

Дилетант
Я люблю тебя, Дима Я люблю тебя, Дима

Близкие Димы Билана поделились, как он помог им

StarHit
Следствие по делу декабристов Следствие по делу декабристов

Офицеры на Сенатской площади и офицеры на допросах — совершенно разные люди

Дилетант
Как спортивные упражнения снижают тревогу? Как спортивные упражнения снижают тревогу?

Тревога может быть хронической или связанной с предстоящими событиями

Psychologies
Открыть в приложении