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

Цивилизация Цивилизация

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

Вокруг света
Однажды в России Однажды в России

Борис Акопов: как детство в плохом районе помогает снимать хорошие фильмы

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Горы свернем Горы свернем

Лез-Арк – место во Франции, где скучать точно не придется

Grazia
1990 год 1990 год

Переход к рыночной экономике, последний концерт «Кино» и другие события

Esquire
Болезни суставов: принципы лечения, упражнения и работа с эмоциями Болезни суставов: принципы лечения, упражнения и работа с эмоциями

В теле все связано: негативные эмоции могут отражаться на состоянии здоровья

Psychologies
Дядька императора Дядька императора

В Российской империи воспитание царских отпрысков было делом политическим

Дилетант
6 преимуществ йоги для парней (в том числе для подвигов в постели) 6 преимуществ йоги для парней (в том числе для подвигов в постели)

В последние годы все больше и больше мужчин раскатывают маты для йоги

Playboy
Провальный курс: почему импортозамещение не оправдало надежд Провальный курс: почему импортозамещение не оправдало надежд

Курс на независимость российской экономики от импорта был фактически провален

Forbes
Легкость необыкновенная Легкость необыкновенная

Сделай новогодние блюда более легкими

Лиза
Свет жизни: как автомобильные фары влияют на безопасность Свет жизни: как автомобильные фары влияют на безопасность

За всю историю автомобиля его составляющие претерпели значительные изменения

Популярная механика
Неудачи по-крупному: 5 самых масштабных авиакатастроф Boeing Неудачи по-крупному: 5 самых масштабных авиакатастроф Boeing

Самые крупные трагедии с участием самолетов американского авиагиганта

Популярная механика
Как проходит смертная казнь посредством инъекции Как проходит смертная казнь посредством инъекции

Рассказы медсестры и тюремного капеллана о смертной казни в современной Америке

Esquire
Плохой, злой: почему Эдварда Нортона ненавидит половина Голливуда — и как он попытался реабилитироваться, сняв «Сиротский Бруклин» Плохой, злой: почему Эдварда Нортона ненавидит половина Голливуда — и как он попытался реабилитироваться, сняв «Сиротский Бруклин»

Почему Эдвард Нортон вызывает такую бурную реакцию у своих голливудских коллег

Esquire
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
Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask? Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask?

Фрагмент из новой книги Игоря Савельева

СНОБ
3 вкусных коктейля из протеиновых смесей 3 вкусных коктейля из протеиновых смесей

Протеиновая смесь может быть вкусной, если приготовить её следуя рецептам

Maxim
Топ-7 стран, где ты должен побывать в 2020 году Топ-7 стран, где ты должен побывать в 2020 году

Список необычных стран для путешествий

Playboy
Груз ответственности: как домашние обязанности приводят к истощению работающих женщин Груз ответственности: как домашние обязанности приводят к истощению работающих женщин

О том, как важно женам и мужьям делить поровну ответственность за дом и детей

Forbes
Расчет на перспективу. Самые успешные женщины-инвесторы в Европе Расчет на перспективу. Самые успешные женщины-инвесторы в Европе

Второе место из 25 в списке самых успешных инвесторов Европы досталось женщине

Forbes
Вечно двигаться Вечно двигаться

Риналь Мухаметов считает, что суть актёрства — играть и перевоплощаться

Robb Report
5 правил красоты и здоровья 5 правил красоты и здоровья

Как надолго сохранить женское здоровье, молодость и красоту?

Лиза
Тайлер Дерден Тайлер Дерден

Правила жизни Тайлера Дердена

Esquire
Детское питание: домашнее или из магазина? Детское питание: домашнее или из магазина?

На темы детского питания существует массы мифов

9 месяцев
А. С. Пушкин на акте в Лицее 8 января 1815 года А. С. Пушкин на акте в Лицее 8 января 1815 года

Илья Репин писал эту картину к 100-летию Царскосельского лицея

Дилетант
В каждой шутке... В каждой шутке...

Как сегодня живут бывшие резидентки Сomedy Woman и с кем они сохранили дружбу

StarHit
Тёмный тест, сохраняющий свет Тёмный тест, сохраняющий свет

Новый тест позволит выявить опасное осложнение глаукомы

Здоровье
Почему у тебя такие большие рюши Почему у тебя такие большие рюши

Платья и блузы с рюшами теперь живут и в гардеробах современных девушек

Vogue
Джуд Лоу — о «Новом папе», кайфе 40-летних и любимой газировке Соррентино Джуд Лоу — о «Новом папе», кайфе 40-летних и любимой газировке Соррентино

За ответами на волнующие нас вопросы о «Новом папе» мы обратились к Джуду Лоу

РБК
Дженнифер Лоуренс: горячие фото талантливой обладательницы «Оскара» Дженнифер Лоуренс: горячие фото талантливой обладательницы «Оскара»

Дженнифер Лоуренс — одна из тех актрис, которая поражает своими горячими фото

Playboy
Открыть в приложении