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

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Как встретить Новый год по-дореволюционному Как встретить Новый год по-дореволюционному

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

Maxim
Цивилизация Цивилизация

Они одними из первых освоили инженерию, завели армию, монархию и дипломатию

Вокруг света
Чек-лист: что делать с лицом, телом и волосами сразу после спорта Чек-лист: что делать с лицом, телом и волосами сразу после спорта

После тренировки кожа и волосы нуждаются в специальном уходе

Esquire
Вы молекулы называете? Нет, просто переводим... Вы молекулы называете? Нет, просто переводим...

Может ли нейронная сеть правильно назвать химическое вещество по его формуле?

Наука и жизнь
«Дом с прислугой», который построил М. Найт Шьямалан «Дом с прислугой», который построил М. Найт Шьямалан

В самом разгаре мистический триллер М. Найта Шьямалана «Дом с прислугой»

РБК
Зачем старейшему инвестфонду США акции Rivian, Microsoft и Snap и кто им управляет Зачем старейшему инвестфонду США акции Rivian, Microsoft и Snap и кто им управляет

Портфельный менеджер Джо Фат не боится грязной работы и новых технологий

Forbes
Алан Стерн: Первый полет к Плутону. Отрывок из книги Алан Стерн: Первый полет к Плутону. Отрывок из книги

Члены команды рассказывают о создании и запуске космического аппарата

СНОБ
Частный оперный театр в России, иммерсивная «Иоланта» и Петр Налич в роли Водемона Частный оперный театр в России, иммерсивная «Иоланта» и Петр Налич в роли Водемона

Впервые за 100 лет в Москве появился частный оперный театр

СНОБ
Проблемное место Проблемное место

Жить без трудностей не только скучно, но и вредно для здоровья

GQ
Обманчивый успех самого дорогого IPO: что скрывается за фасадом Saudi Aramco Обманчивый успех самого дорогого IPO: что скрывается за фасадом Saudi Aramco

Прошел первый этап IPO самой дорогой компании в мире Saudi Aramco

Forbes
Победа Лужкова. Как бывший мэр Москвы создал модель сегодняшней России Победа Лужкова. Как бывший мэр Москвы создал модель сегодняшней России

Именно Лужков показал, что автократия возможна в России без крови и без садизма

Forbes
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
Холивар за интернет Холивар за интернет

Андрей Лошак о том, можно ли запретить писать на заборе слово

Русский репортер
Михаил Грушевский: «Сын уже шутит, как взрослый» Михаил Грушевский: «Сын уже шутит, как взрослый»

Пародист о легкости в браке и мальчишестве в душе

StarHit
Кишечные бактерии предпочитают красное Кишечные бактерии предпочитают красное

О том, что красное вино полезно, знают многие

Здоровье
Как убрать мешки под глазами: 10 звездных примеров Как убрать мешки под глазами: 10 звездных примеров

Мешки под глазами — проблема, с которой рано или поздно сталкиваются все

Cosmopolitan
Хот-йога: Ольга Кавказская Хот-йога: Ольга Кавказская

Преподаватель Бикрам-йоги: о рекомендациях к практике

Yoga Journal
20 правил холостой жизни взрослого мужчины 20 правил холостой жизни взрослого мужчины

Вам уже не 20, а вы до сих пор (или уже) не женаты?

GQ
Учимся… спать Учимся… спать

Во время беременности у женщин нередко возникают проблемы со сном

9 месяцев
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
Акне-позитив – новый тренд? Звезды, которые не стесняются проблемной кожи Акне-позитив – новый тренд? Звезды, которые не стесняются проблемной кожи

Тренд на проблемную кожу становится новой волной бодипозитива

Cosmopolitan
«Мать украла мою личность»: ложь длиною в жизнь «Мать украла мою личность»: ложь длиною в жизнь

Экстон Бец-Гамильтон делится шокирующими открытиями

Psychologies
Снеговики без снега: новогоднее настроение своим руками Снеговики без снега: новогоднее настроение своим руками

Альтернативные варианты для создания самой известной зимней скульптуры

Популярная механика
Соски Вертинской и интим подростков: секс-скандалы в советском кино Соски Вертинской и интим подростков: секс-скандалы в советском кино

Секс в СССР был!

Cosmopolitan
На всякий морозный: какие телефоны не боятся холодов? На всякий морозный: какие телефоны не боятся холодов?

Как выбрать телефон, который выживет российские в морозы

CHIP
Достопримечательность города Достопримечательность города

Бордели с человекоподобными куклами – новый тренд или это уже слишком?

Playboy
Нашел место Нашел место

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

GQ
Екатерина Климова: «Счастье — никуда не мчаться, никому ничего не доказывать» Екатерина Климова: «Счастье — никуда не мчаться, никому ничего не доказывать»

Чувствую, необходимо остановиться. Хотя бы чтобы представить свое будущее

Караван историй
Особый путь пармезана: как выглядит русский сыр в 2019 году и кто его делает Особый путь пармезана: как выглядит русский сыр в 2019 году и кто его делает

Российские сыры берут призовые места на европейских конкурсах

Forbes
Открыть в приложении