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

Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Йод: жжёт, разгоняет облака и выявляет некачественный мёд Йод: жжёт, разгоняет облака и выявляет некачественный мёд

Этот химический элемент сопровождает нас практически с рождения

Наука и жизнь
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Уральский экстрим: как бизнесмены из Екатеринбурга создали лидера на рынке экипировки Уральский экстрим: как бизнесмены из Екатеринбурга создали лидера на рынке экипировки

Ранее о бренде Dragonfly мало кто знал, но выручка компании выросла в шесть раз

Forbes
Физика с разоблачением Физика с разоблачением

Опыты и фокусы: проверяем физику через 130 лет

Наука и жизнь
Капитальный обман Капитальный обман

У тебя в доме начался капитальный ремонт?

Лиза
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
Броня, палатка и три мотора: что известно о Tesla Cybertruck Броня, палатка и три мотора: что известно о Tesla Cybertruck

Илон Маск и Tesla умеют удивлять необычными проектами вроде Cybertruck

Популярная механика
Играй, гормон! Играй, гормон!

Проверять щитовидку не только удел прекрасной половины человечества

Playboy
Бедные, но умные Бедные, но умные

В России выявлена поголовная недообученность

Огонёк
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
Наследница престола Наследница престола

Кутюрный показ осенне-зимней коллекции Fendi впервые без Карла Лагерфельда

Vogue
«Честное слово»: гипнотерапевтическая сказка «Честное слово»: гипнотерапевтическая сказка

Преодолеть кризис героине помог эриксоновский гипноз.

Psychologies
1995 год 1995 год

Пока страна встречает Новый год, на улицах Грозного происходят перестрелки

Esquire
На Цветном бульваре На Цветном бульваре

Интерьер, который создавался под стать месту и виду

SALON-Interior
Заштормило Заштормило

Хлебников и Мещанинова сняли сериал-нуар о буре в душе русского следователя

Собака.ru
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
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
Как сохранить секрет, но при этом не сойти с ума: научный метод Как сохранить секрет, но при этом не сойти с ума: научный метод

С научной точки зрения, хранение тайны может нанести вред психике

Популярная механика
Рожденная свободной Рожденная свободной

Почему детям важны полная свобода и независимость и чем сложен семейный бизнес

Grazia
Почему мы все станем энергетиками? Почему мы все станем энергетиками?

Бережное отношение к ресурсам — тренд, который изменит энергетическую отрасль

Forbes
«Сломанная лестница»: гендерные препятствия на первых ступенях карьеры «Сломанная лестница»: гендерные препятствия на первых ступенях карьеры

Считается, что женщине трудно пробиться на самый верх и стать руководителем

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

Главные слова, определившие технологический облик времени

Русский репортер
1990 год 1990 год

Переход к рыночной экономике, последний концерт «Кино» и другие события

Esquire
Россияне, утратившие миллиарды: бизнесмены с самыми большими финансовыми потерями в 2010-х Россияне, утратившие миллиарды: бизнесмены с самыми большими финансовыми потерями в 2010-х

10 российских бизнесменов, столкнувшихся с самыми большими финансовыми потерями

Forbes
Тимур Бекмамбетов: «Я всегда занимался тем, чего не было до меня» Тимур Бекмамбетов: «Я всегда занимался тем, чего не было до меня»

Режиссер, продюсер и изобретатель — о своем новом проекте и новых технологиях

Эксперт
Ирина Дубцова: «Устала от слабых мужиков и альфонсов!» Ирина Дубцова: «Устала от слабых мужиков и альфонсов!»

Звезда о желании родить дочь и взрывном характере

StarHit
Гормоны в продуктах: как минимизировать вред? Гормоны в продуктах: как минимизировать вред?

Гормоны, содержащиеся в продуктах, могут оказать негативное влияние на организм

9 месяцев
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
Мастермайнд. Зачем крупные бизнесмены раз в месяц запираются от внешнего мира Мастермайнд. Зачем крупные бизнесмены раз в месяц запираются от внешнего мира

Мастермайнд — это очень важный и сильный инструмент личностного развития

Forbes
Открыть в приложении