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

100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
Тот самый остров Тот самый остров

Чтобы на Арубе закончился кризис, жители острова надумали стать счастливыми

Вокруг света
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Милана Тюльпанова «Саша не умеет прощать» Милана Тюльпанова «Саша не умеет прощать»

Бывшая жена Кержакова о холодной войне с футболистом и помощи женщинам

StarHit
Альцгеймер подождет! Альцгеймер подождет!

Что делать, чтобы Альцгеймер подождал

Здоровье
Тайные мысли: почему негативные эмоции и поступки невозможно скрыть Тайные мысли: почему негативные эмоции и поступки невозможно скрыть

Зависть, злость и другие тайные мысли всегда оставляют свой след

Psychologies
Секретарь Республики Секретарь Республики

Нормальная жизнь Никколо ди Бернардо деи Макиавелли оборвалась 16 декабря 1512 г

Наука и жизнь
Клео де Мерод — легендарная модель XIX века (12 фото) Клео де Мерод — легендарная модель XIX века (12 фото)

Ее красота стала символом Прекрасной эпохи

Maxim
Холодный фейерверк или криопушка? Гид по пиротехнике для новогодней вечеринки Холодный фейерверк или криопушка? Гид по пиротехнике для новогодней вечеринки

Спецэффекты для помещения: физика и химия займутся в деле

Maxim
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
«Честное слово»: гипнотерапевтическая сказка «Честное слово»: гипнотерапевтическая сказка

Преодолеть кризис героине помог эриксоновский гипноз.

Psychologies
Телепорт на газон и ДТП с трамваем: топ-7 странных ситуаций с водителями Телепорт на газон и ДТП с трамваем: топ-7 странных ситуаций с водителями

Самые необычные происшествия с водителями

РБК
Современная одежда, позаимствованная из военных времен Современная одежда, позаимствованная из военных времен

Культуролог Ольга Вайнштейн уверяет, что современная мода многим обязана войне

Esquire
Русский «Prado»: агрегаты, оснащение и дата премьеры Русский «Prado»: агрегаты, оснащение и дата премьеры

Новая машина, которую УАЗ намерен продавать за 1,5 млн рублей

РБК
Как понять, что в нас видят только сексуальный объект Как понять, что в нас видят только сексуальный объект

Где грань между здоровым влечением и объективацией

Psychologies
Анна Пескова: «Дочке рано смотреть фильмы с моим участием» Анна Пескова: «Дочке рано смотреть фильмы с моим участием»

Звезда сериала «Тест на беременность» о родстве с пресс-секретарем президента

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
Снова здорово Снова здорово

Заботясь об осознанном потреблении, звезды надевают платья по несколько раз

Vogue
Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах Автор блога «Истоки слова» — о русском языке, ЕГЭ и феминитивах

Почему нужно бороться с ложными лингвистическими теориями и что не так с ЕГЭ?

РБК
БУЧ диета: меню на неделю, рецепты и отзывы БУЧ диета: меню на неделю, рецепты и отзывы

Диета БУЧ поможет за месяц избавиться от 5 кг

Cosmopolitan
Революция тела: тренировки Джиллиан Майклс для стройной фигуры Революция тела: тренировки Джиллиан Майклс для стройной фигуры

Легендарные тренировки от Джиллиан Майклс для стройной и подтянутой фигуры

Cosmopolitan
Как «Звездные войны» окончательно превратились в кино для миллениалов Как «Звездные войны» окончательно превратились в кино для миллениалов

Все стало стерильным, даже на темной стороне не осталось истинных злодеев

GQ
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
«Какой смысл пить таблетки?»: Сергей Нетиевский рассказал, как похудел на 16 кг «Какой смысл пить таблетки?»: Сергей Нетиевский рассказал, как похудел на 16 кг

Сергей Нетиевский откровенно рассказал о своей борьбе за фигуру

Cosmopolitan
Со знаком плюс Со знаком плюс

Самая известная plus-size-модель Эшли Грэм скоро впервые станет мамой

Grazia
Рекордное IPO, грандиозная афера и смерть: главные события в мире миллиардеров за 10 лет Рекордное IPO, грандиозная афера и смерть: главные события в мире миллиардеров за 10 лет

Ключевые события в элитном клубе миллиардеров за уходящее десятилетия

Forbes
Тихая угроза: 11 неожиданных (но частых) причин пожара в доме Тихая угроза: 11 неожиданных (но частых) причин пожара в доме

Потенциальных источников пожара больше, чем вы думаете

Домашний Очаг
Даёшь рельеф: сушка тела в домашних условиях Даёшь рельеф: сушка тела в домашних условиях

Как избавиться от лишнего объема и смоделировать силуэт мечты без спортзала

Cosmopolitan
Нашел место Нашел место

Юрий Борисов не заметил, как стал одним из самых востребованных актеров кино

GQ
«Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов»: 30 лет на службе океанологии «Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов»: 30 лет на службе океанологии

Суда «Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов» совершили немало открытий

Популярная механика
Открыть в приложении