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
Голливудский тон: топ-5 вещей, которые нужно знать об отбеливании зубов Голливудский тон: топ-5 вещей, которые нужно знать об отбеливании зубов

Может ли навредить отбеливание, какие бывают виды и кому вообще можно его делать

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Любовь прошла?.. Любовь прошла?..

Как понять, не пора ли тебе скинуть эмоциональный багаж?

Лиза
Иван Ургант Иван Ургант

Правила жизни телеведущего и актера Ивана Урганта

Esquire
«Новая Бейонсе»: как певица Нормани стала голосом молодого поколения «Новая Бейонсе»: как певица Нормани стала голосом молодого поколения

Как «обычная девчонка с Юга» добилась успеха и вошла в рейтинг Forbes

Forbes
Погода, климат и жизнь птиц Погода, климат и жизнь птиц

Изменение поведения птиц — верный признак смены климатического сезона

Наука и жизнь
Как встретить Новый год по-дореволюционному Как встретить Новый год по-дореволюционному

Исторический опыт, который подскажет, как чудить на новый год с фантазией

Maxim
Playboy подводит итоги 2019 года: 15 самых главных событий Playboy подводит итоги 2019 года: 15 самых главных событий

От главного разочарования до самой крутой хитрости 2019 года!

Playboy
Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды

Каково это - жить, когда видишь только половиной левого глаза

Cosmopolitan
На пороге иных времен. Что ждет человечество в наступающем десятилетии На пороге иных времен. Что ждет человечество в наступающем десятилетии

В предстоящие годы в мире произойдут изменения общественного устройства

СНОБ
Время Ориона. Зимнее небо Время Ориона. Зимнее небо

Зима не самое лучшее время для наблюдений звёздного неба в средней полосе России

Наука и жизнь
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
Как не стать жертвой «эффекта ореола»? Как не стать жертвой «эффекта ореола»?

Можно ли «пробиться» через однажды сформированное мнение о нас и о других

Psychologies
Детское питание: домашнее или из магазина? Детское питание: домашнее или из магазина?

На темы детского питания существует массы мифов

9 месяцев
Платье за миллион и старинный замок: самые роскошные свадьбы чиновников Платье за миллион и старинный замок: самые роскошные свадьбы чиновников

Вспоминаем самые роскошные свадьбы, которые устраивали политики

Cosmopolitan
Аутфит по-домашнему: как выбрать домашнюю одежду Аутфит по-домашнему: как выбрать домашнюю одежду

В чем ходить дома, чтобы выглядеть круто и чувствовать себя комфортно?

Cosmopolitan
Весомые тренды: выбираем вечернее платье большого размера Весомые тренды: выбираем вечернее платье большого размера

Ассортимент магазинов больших размеров приводит в уныние?

Cosmopolitan
Эмилия Кларк, актриса Эмилия Кларк, актриса

Эмилия Кларк – главная кинозвезда грядущего десятилетия

Худеем правильно
Супер-женщина Супер-женщина

Ляйсан Утяшева прекрасно справляется со всем своими ролями!

OK!
Российское вторжение: как делают графику для кино Российское вторжение: как делают графику для кино

Как делают самую продвинутую графику для мирового кинематографа

Популярная механика
К какой роскоши тяготеют диктаторы К какой роскоши тяготеют диктаторы

Век большинства диктаторов короткий, но яркий

GQ
У каждого авто запах особый: развиваем нюх на неполадки У каждого авто запах особый: развиваем нюх на неполадки

Помните, как пахла ваша новая машина?

Популярная механика
У леса на опушке У леса на опушке

Белорусская Ванга, случайные попутчики и огуречный бизнес

StarHit
Воскресное чтение: отрывок из романа Поллока «Heartstream. Поток эмоций» о том, как наша жизнь и соцсети стали одним целым Воскресное чтение: отрывок из романа Поллока «Heartstream. Поток эмоций» о том, как наша жизнь и соцсети стали одним целым

В будущем люди смогут делится не только фотографиями и видео, но и эмоциями

Esquire
Испытывают ли животные эмоции Испытывают ли животные эмоции

Способны ли животные на эмпатию, испытывают ли они радость или горе

СНОБ
Бюджетная квартира под сдачу, 61 м² Бюджетная квартира под сдачу, 61 м²

Сэкономленный бюджет проекта не повлиял на функциональность квартиры

AD
Не в химии счастье Не в химии счастье

Можно ли стать счастливым, просто приняв дозу гормона

Вокруг света
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
Валентина Ясень и Михаил Цинченко Валентина Ясень и Михаил Цинченко

Главная олдушка года и экс-военнослужащий ВКС

Собака.ru
Открыть в приложении