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
Губернаторы в поисках денег: как российские регионы пытаются привлечь инвесторов Губернаторы в поисках денег: как российские регионы пытаются привлечь инвесторов

Руководству регионов России как никогда нужны инвесторы

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
В каком состоянии Россия встречала Миллениум после ухода Ельцина: рассказывает политолог В каком состоянии Россия встречала Миллениум после ухода Ельцина: рассказывает политолог

В каком состоянии наша страна, прошедшая 1990-е, встречала третье тысячелетие

Esquire
«Мы создали монстра»: как миллиардер Масаеси Сон собрал фонд на $100 млрд и потерял доверие рынка «Мы создали монстра»: как миллиардер Масаеси Сон собрал фонд на $100 млрд и потерял доверие рынка

Чем грозит Масаеси Сону разрастание кризиса внутри его бизнес-империи?

Forbes
С видом на МГУ С видом на МГУ

Стиль индустриального шика и урбанистическая живопись в интерьере

SALON-Interior
Как появилась жизнь: кто был самым первым на нашей планете Как появилась жизнь: кто был самым первым на нашей планете

Поиск осязаемых следов первой жизни на нашей планете

Популярная механика
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
Про эго Про эго

Очень часто от людей слышишь утверждение, что с эго надо бороться

Yoga Journal
Софья Таюрская: горячие фото солистки нашумевшей группы «Little Big» Софья Таюрская: горячие фото солистки нашумевшей группы «Little Big»

Яркая, дерзкая и очень талантливая Софья Таюрская

Playboy
Как быстрее продирать глаза по утрам Как быстрее продирать глаза по утрам

Мало встать с постели и пойти на работу, нужно еще проснуться

Maxim
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
Все без ума от Шарлот Все без ума от Шарлот

Как Эдуард Шарлот в 21 год стал сбывшейся надеждой российской поп-сцены

Собака.ru
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
Начните качать трицепс Начните качать трицепс

Мы даже упражнения правильные выбрали за вас

GQ
8 самых инстаграмных мест мира, куда все едут сфотографироваться 8 самых инстаграмных мест мира, куда все едут сфотографироваться

Люди едут туда за самыми незабываемыми снимками

Playboy
Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера

За счет чего сахалинский предприниматель ведет успешный бизнес в Москве?

Forbes
Минимализм для миллениалов Минимализм для миллениалов

Новый дизайн упаковки увеличил продажи Брянского молочного комбината

Forbes
Итоги десятилетия: как изменился мир искусства — и при чем тут Instagram, унитаз из чистого золота и фальшивая выставка на биеннале Итоги десятилетия: как изменился мир искусства — и при чем тут Instagram, унитаз из чистого золота и фальшивая выставка на биеннале

Как понять современное искусство: 9 главных событий 2010-х

Esquire
Мастурбация – это действительно вредно? Мастурбация – это действительно вредно?

О вреде самоудовлетворения говорили еще до нашей эры

GQ
Диана Арбенина: «Самый веселый новогодний концерт мы дали для подвыпившей дамы» Диана Арбенина: «Самый веселый новогодний концерт мы дали для подвыпившей дамы»

Диана Арбенина – о том, что делает жизнь женщины максимально осмысленной

Cosmopolitan
Дорогой автопром: сколько государство потратило на поддержание рынка Дорогой автопром: сколько государство потратило на поддержание рынка

Как государство помогало автопрому последние 10 лет

РБК
Выгодный курс Выгодный курс

Считаем, что лучшая новогодняя атмосфера царит в Париже, Нью-Йорке и Москве!

Grazia
Высшая математика Высшая математика

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

Собака.ru
Пошли в баню! Пошли в баню!

В холодный зимний день баня или сауна – особое удовольствие

Лиза
«Ковдор — столица Гипербореи» «Ковдор — столица Гипербореи»

Местные жители издавна находили много артефактов в окрестностях Ковдора

Дилетант
Лукашин или Ипполит? Кого бы выбрала Надя, если пошла бы к психологу Лукашин или Ипполит? Кого бы выбрала Надя, если пошла бы к психологу

С кем все-таки лучше было остаться Наде – с Женей Лукашиным или с Ипполитом

Cosmopolitan
Главные разочарования российского спорта в 2019 году Главные разочарования российского спорта в 2019 году

Вспоминаем, какие поражения в этом году оказались самыми болезненными.

GQ
Как 26-летняя американка производит пуленепробиваемые толстовки в борьбе с массовыми убийствами Как 26-летняя американка производит пуленепробиваемые толстовки в борьбе с массовыми убийствами

Ви Чан после личной трагедии запустила линию пуленепробиваемой одежды

Forbes
Сила Сибири и слабость модели. Трубы, о которые разбиваются прорывные прожекты Сила Сибири и слабость модели. Трубы, о которые разбиваются прорывные прожекты

Управлять страной гораздо проще, чем возиться с тысячами частных компаний

СНОБ
Открыть в приложении