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
Нескучные интервальные тренировки для похудения Нескучные интервальные тренировки для похудения

Интервальные тренировки — так ли они эффективны для похудения

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«Есть потепление». О чем договорились и о чем не могли договориться лидеры «нормандской четверки» «Есть потепление». О чем договорились и о чем не могли договориться лидеры «нормандской четверки»

Лидеры России, Украины, Франции и Германии встретились в Париже

СНОБ
«Маячки», по которым манипуляторы вычисляют жертв «Маячки», по которым манипуляторы вычисляют жертв

Чем опасны личностные проблемы и как не дать манипулятору ими воспользоваться?

Psychologies
Приятная повинность: как российские миллиардеры становятся виноделами во Франции Приятная повинность: как российские миллиардеры становятся виноделами во Франции

Как во Франции российские предприниматели создают собственное вино

Forbes
Царь-птица Царь-птица

К этим гордым и боевым птицам мы относимся с поразительным пренебрежением

Популярная механика
Вопросы с подвохом и езда без баллов: как изменится экзамен на права Вопросы с подвохом и езда без баллов: как изменится экзамен на права

Что изменится при сдаче экзамена на права осенью следующего года

РБК
Итоги года: Апрель, май, июнь Итоги года: Апрель, май, июнь

Forbes представляет итоги 2019 года

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
Как наши смартфоны следят за нами Как наши смартфоны следят за нами

Уходящие 2010-е можно назвать первым настоящим интернет-десятилетием

Esquire
Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать

Выживая, птицы способны отбрасывать «ненужные» гены

Популярная механика
Михаил Боярский: «Внук понял, в какую сумасшедшую семью попал» Михаил Боярский: «Внук понял, в какую сумасшедшую семью попал»

Актер откровенно об ошибках и главных женщинах в своей жизни

StarHit
Роман Хорошев: Зачем бизнесмену брать кредит под 25% годовых Роман Хорошев: Зачем бизнесмену брать кредит под 25% годовых

В каких ситуациях могут оказаться выгодными займы под процент выше среднего?

СНОБ
«Пошлю его на...»: звезды, которые остроумно отвечают хейтерам в соцсетях «Пошлю его на...»: звезды, которые остроумно отвечают хейтерам в соцсетях

Селебрити по-разному реагируют на троллинг и хейт в социальных сетях

Cosmopolitan
Колонка Esquire: Владимир Познер — о причинах бедности в России Колонка Esquire: Владимир Познер — о причинах бедности в России

Владимир Познер рассуждает о проблеме бедности и находит её три главные причины

Esquire
В школе ребенку плохо: что делать? В школе ребенку плохо: что делать?

Представьте себе ситуацию: ваш сын или дочь наотрез отказывается ходить в школу

Psychologies
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
Каникулы. Перезагрузка Каникулы. Перезагрузка

Зимние каникулы – время для того, чтобы стать красивее, стройнее и здоровее

Домашний Очаг
Цветные поцелуи: как подобрать помаду для губ Цветные поцелуи: как подобрать помаду для губ

Как подобрать самый беспроигрышный оттенок помады для любого образа

Cosmopolitan
Как почистить сливной фильтр в стиральной машине: пошаговая инструкция Как почистить сливной фильтр в стиральной машине: пошаговая инструкция

Прочистка сливного фильтра - операция, которую стоит периодически проводить

CHIP
Одиссея судна «Академик М. А. Лаврентьев»: как исследуют Тихий океан Одиссея судна «Академик М. А. Лаврентьев»: как исследуют Тихий океан

Кому как не России быть лидером в изучении Северного Ледовитого и Тихого океанов

Популярная механика
25 лет дикой природы России. Кого мы сохранили и потеряли за последнюю четверть века 25 лет дикой природы России. Кого мы сохранили и потеряли за последнюю четверть века

WWF России реализовал многие проекты по сохранению уязвимых видов

СНОБ
Ты — «третье колесо» в отношениях? 8 преимуществ, которыми стоит насладиться Ты — «третье колесо» в отношениях? 8 преимуществ, которыми стоит насладиться

Быть «третьим колесом» в паре: преимущества

Playboy
Конец передела: как зять миллиардера Тимченко создал морского монстра с выручкой 22 млрд рублей Конец передела: как зять миллиардера Тимченко создал морского монстра с выручкой 22 млрд рублей

Русская компания Глеба Франка растолкала конкурентов по промыслу краба

Forbes
Тёмный тест, сохраняющий свет Тёмный тест, сохраняющий свет

Новый тест позволит выявить опасное осложнение глаукомы

Здоровье
Михаил Борисов «Боюсь высоких женщин» Михаил Борисов «Боюсь высоких женщин»

Телеведущий поделился секретом, как соблазнить слабый пол

StarHit
Чудеса, да и только! 7 самых крутых и современных изобретений для женщин Чудеса, да и только! 7 самых крутых и современных изобретений для женщин

На самом деле будущее близко — оно уже здесь. Интересные женские стартапы

Cosmopolitan
Наталья Якимчик: «Я не хочу ничего доказывать!» Наталья Якимчик: «Я не хочу ничего доказывать!»

Дизайнер и основательница бренда Natayakim Наталья Якимчик отвечает на вопросы

Grazia
Мужские эрогенные зоны — от очевидных до неожиданных (о некоторых ты и не знал) Мужские эрогенные зоны — от очевидных до неожиданных (о некоторых ты и не знал)

Давай найдем все эрогенные зоны у мужчины

Playboy
Открыть в приложении