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

Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Кризис старения: в поисках нового смысла Кризис старения: в поисках нового смысла

Неразрешимыми вопросами задается каждый, когда время жизни подходит к завершению

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«На сплетни о себе реагирую смехом!» «На сплетни о себе реагирую смехом!»

Стася Милославская о «Неделе российского кино» в Нью-Йорке и желтой прессе

Grazia
Взвешенный подход Взвешенный подход

Новые теоретические и практические основы похудения

Men’s Health
Проклятье обычной семьи Проклятье обычной семьи

Несчастья в жизни гораздо богаче любых фантазий

СНОБ
Подлинная история д’Артаньяна Подлинная история д’Артаньяна

Жизнь д’Артаньяна точно нельзя назвать скучной

Дилетант
Мощное средство Мощное средство

Бытовая химия стала популярной после создания яркого бренда

Forbes
Падают и сами в штабеля укладываются Падают и сами в штабеля укладываются

Как заинтересовать любого парня всего за один ужин?

Cosmopolitan
Каникулы с токсичными родственниками: выжить и получить удовольствие Каникулы с токсичными родственниками: выжить и получить удовольствие

Что придумать, чтобы семейство не испортило праздник?

Psychologies
В поисках качественного топлива: как выбрать АЗС с лучшим бензином В поисках качественного топлива: как выбрать АЗС с лучшим бензином

Согласно последним данным Росстандарта, проблемы с российскими АЗС есть

Популярная механика
Фильм «1917» – это кино, которое вы не хотите увидеть Фильм «1917» – это кино, которое вы не хотите увидеть

Крысы, лес колючей проволоки, трупы, трупы, трупы

GQ
«Биохакеры — самые приятные люди»: сооснователь «Инвитро» о печати органов, хороших врачах и плохих следователях «Биохакеры — самые приятные люди»: сооснователь «Инвитро» о печати органов, хороших врачах и плохих следователях

Александр Островский — о том, когда в космосе начнут печатать органы

Forbes
Любить себя: что это значит Любить себя: что это значит

Чувство любви к себе едва ли не самое важное в жизни

Psychologies
Нейробиологи разгадали тайну новогоднего обжорства и пьянства Нейробиологи разгадали тайну новогоднего обжорства и пьянства

Как мозг человека вдруг дает организму команду съесть таз холодца, запив водкой

СНОБ
Подлинный Пестель Подлинный Пестель

Раритетный портрет Павла Ивановича Пестеля

Дилетант
Удачный момент Удачный момент

Люпита Нионго — о выборе стиля, покорении Голливуда и новых проектах

Glamour
Вечно двигаться Вечно двигаться

Риналь Мухаметов считает, что суть актёрства — играть и перевоплощаться

Robb Report
5 отпетых преступников Российской империи 5 отпетых преступников Российской империи

Дореволюционные преступники, которые составляют гордость криминальной хроники

Maxim
Полипропилен или металлопластик: что лучше для водопровода и отопления? Полипропилен или металлопластик: что лучше для водопровода и отопления?

Сравниваем плюсы и минусы каждого материала

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

Уходящие 2010-е можно назвать первым настоящим интернет-десятилетием

Esquire
Отмена единого налога, штрафы за маркировку и самозанятые: как изменится жизнь бизнеса в 2020 году Отмена единого налога, штрафы за маркировку и самозанятые: как изменится жизнь бизнеса в 2020 году

Несколько законодательных и налоговых новшеств, которые повлияют на бизнес

Forbes
Думай как женщина Думай как женщина

Ирина Старшенбаум о мужчинах, съемках по любви и жизни на грани фантастики

Cosmopolitan
Гибрид смартфона и пиявки. Как РОСНАНО популяризирует науку через искусство Гибрид смартфона и пиявки. Как РОСНАНО популяризирует науку через искусство

Какое именно искусство будет повышать престиж естественных наук среди молодежи

СНОБ
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
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
Алексей Ольховой: «Весь мой бизнес начинался с ремесла» Алексей Ольховой: «Весь мой бизнес начинался с ремесла»

Владелец ресторана Blanc рассказал, как его проект стал новым местом силы

GQ
«Десять лет назад было больше простора для творчества». Интервью с управляющим директором по правовым вопросам УК «Роснано» Валерией Ковалевой «Десять лет назад было больше простора для творчества». Интервью с управляющим директором по правовым вопросам УК «Роснано» Валерией Ковалевой

Интервью с управляющим директором по правовым вопросам Валерией Ковалевой

СНОБ
Узелок на память Узелок на память

Увеличение лимфоузлов у ребенка — одна из самых пугающих тем для родителей

Добрые советы
Следствие по делу декабристов Следствие по делу декабристов

Офицеры на Сенатской площади и офицеры на допросах — совершенно разные люди

Дилетант
Открыть в приложении