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
Избегая конфликтов любой ценой, мы ставим под угрозу отношения Избегая конфликтов любой ценой, мы ставим под угрозу отношения

Разрушает ли гнев отношения

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Стиль смарт кэжуал для мужчин: базовый гардероб и практические советы Стиль смарт кэжуал для мужчин: базовый гардероб и практические советы

Smart casual — один из лучших способов для мужчин по-настоящему выразить себя

Playboy
Отрывок из книги «Зверобой» Ксении Буржской Отрывок из книги «Зверобой» Ксении Буржской

Одна из глав новой книги Ксении Буржской «Зверобой»

СНОБ
7 неочевидных причин, почему она тебя не хочет (не все связаны с тобой) 7 неочевидных причин, почему она тебя не хочет (не все связаны с тобой)

Почему девушка говорит тебе «не сегодня» или вообще категоричное «нет»

Playboy
Почему комары кусают не всех Почему комары кусают не всех

Комары кусают не всех — это факт

Наука и жизнь
Рецензия Esquire: каким получился Рецензия Esquire: каким получился

Ставим на то, что картина принесет франшизе первый в ее истории миллиард

Esquire
12 способов, как выглядеть моложе своих лет 12 способов, как выглядеть моложе своих лет

Сегодня ничто не мешает нам получить тело мечты

GQ
Что такое шейпинг: виды, упражнения, программа тренировок Что такое шейпинг: виды, упражнения, программа тренировок

Шейпинг поможет достичь женственной фигуры без чрезмерной мышечной массы

Cosmopolitan
Тёмный тест, сохраняющий свет Тёмный тест, сохраняющий свет

Новый тест позволит выявить опасное осложнение глаукомы

Здоровье
Юлия Ефременкова: «Мондезир – моя судьба» Юлия Ефременкова: «Мондезир – моя судьба»

Ведущая «Дома-2» и участник проекта организовали вечеринку в честь помолвки

StarHit
Современная одежда, позаимствованная из военных времен Современная одежда, позаимствованная из военных времен

Культуролог Ольга Вайнштейн уверяет, что современная мода многим обязана войне

Esquire
Карьерный апокалипсис: как не потерять работу после 30 лет в мире, которым правят 20-летние Карьерный апокалипсис: как не потерять работу после 30 лет в мире, которым правят 20-летние

Законы построения карьеры становятся похожи на правила венчурного мира

Forbes
Как 26-летняя американка производит пуленепробиваемые толстовки в борьбе с массовыми убийствами Как 26-летняя американка производит пуленепробиваемые толстовки в борьбе с массовыми убийствами

Ви Чан после личной трагедии запустила линию пуленепробиваемой одежды

Forbes
Как понять, что твой подарок не понравился Как понять, что твой подарок не понравился

Лишь еле заметные признаки дадут знать, облажался ты или нет с подарком

Maxim
Может ли американский самолет выполнить «кобру» Может ли американский самолет выполнить «кобру»

«Кобру Пугачева» могут выполнить не только отечественные истребители

Популярная механика
Новогодняя лихорадка Новогодняя лихорадка

Как разумно спланировать праздник и не разориться на подарках

Лиза
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
«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
Этикет: Деловое влечение Этикет: Деловое влечение

Леонид Александровский — о безболезненном разделении личного и профессионального

GQ
Почему ДНК опровергает понятие «белокожий человек» Почему ДНК опровергает понятие «белокожий человек»

Отрывок из книги «Она смеется, как мать. Могущество и причуды наследственности»

СНОБ
«Окей, бумер»: почему разные поколения так раздражают друг друга «Окей, бумер»: почему разные поколения так раздражают друг друга

Почему мы, на самом деле, просто не умеем друг с другом общаться

Forbes
«Экономических оснований для развала СССР не было» «Экономических оснований для развала СССР не было»

Приближающаяся очередная годовщина распада СССР — дата некруглая

Огонёк
Вечно двигаться Вечно двигаться

Риналь Мухаметов считает, что суть актёрства — играть и перевоплощаться

Robb Report
Как выбрать красную икру в жестяных банках и на развес: 6 главных правил Как выбрать красную икру в жестяных банках и на развес: 6 главных правил

Как выбрать красную и черную икру хорошего качества? Сейчас расскажем

Playboy
Чужие следы: что делать, если машину повредили во дворе Чужие следы: что делать, если машину повредили во дворе

Как отыскать водителя, который притер вашу машину, и кто должен оплатить ущерб

РБК
Еда XXI века: 7 трендов, меняющих рынок Еда XXI века: 7 трендов, меняющих рынок

На рынке еды обостряется конкуренция и формируются экосистемы

Forbes
Александр Невский: Слова «невозможно» не существует Александр Невский: Слова «невозможно» не существует

Как сделать карьеру в Голливуде и при этом не стать плохим русским парнем

Playboy
Как сохранить секрет, но при этом не сойти с ума: научный метод Как сохранить секрет, но при этом не сойти с ума: научный метод

С научной точки зрения, хранение тайны может нанести вред психике

Популярная механика
Открыть в приложении