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
Путин из чистого золота: как нижегородец заработал миллионы на драгоценных смартфонах с патриотичным дизайном Путин из чистого золота: как нижегородец заработал миллионы на драгоценных смартфонах с патриотичным дизайном

Сергей Китов построил бизнес на любителях «тяжелого люкса»

Forbes
«У нас нет хлеба, мы умираем» «У нас нет хлеба, мы умираем»

Массовый голод с человеческими жертвами в СССР случался неоднократно

Дилетант
Как паблик «Страдающее Средневековье» зарабатывает на мемах до нескольких сотен тысяч рублей в месяц Как паблик «Страдающее Средневековье» зарабатывает на мемах до нескольких сотен тысяч рублей в месяц

«Страдающее Средневековье» — проект на стыке бизнеса и просветительства с мемами

Forbes
Дядька императора Дядька императора

В Российской империи воспитание царских отпрысков было делом политическим

Дилетант
1992 год 1992 год

Отныне российское ядерное оружие не направлено на американские города

Esquire
Том Хэнкс Том Хэнкс

Правила жизни актера Тома Хэнкса

Esquire
«Ковдор — столица Гипербореи» «Ковдор — столица Гипербореи»

Местные жители издавна находили много артефактов в окрестностях Ковдора

Дилетант
История встречи История встречи

Ольга Дибцева и ее муж Роман впервые станут родителями

OK!
У леса на опушке У леса на опушке

Белорусская Ванга, случайные попутчики и огуречный бизнес

StarHit
Каким получился фильм «Союз спасения» Каким получился фильм «Союз спасения»

Рецензия на фильм, рассказывающий историю восстания декабристов

РБК
Дом мечты Дом мечты

Масштабный проект архитекторов Ирины и Юрия Вопшиновых

SALON-Interior
Узелок на память Узелок на память

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

Добрые советы
Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать

Выживая, птицы способны отбрасывать «ненужные» гены

Популярная механика
Как превратить коллегу-врага в друга Как превратить коллегу-врага в друга

Рассказываем об эффекте Бена Франклина

Psychologies
Парк скульптурного периода: кому принадлежат права на памятники в «Музеоне» Парк скульптурного периода: кому принадлежат права на памятники в «Музеоне»

Правообладание в сфере монументального искусства — сложный и запутанный вопрос

Forbes
Мода на экологичность. Как уменьшить объем отходов при производстве одежды Мода на экологичность. Как уменьшить объем отходов при производстве одежды

Шери Тернбоу шьет одежду по персональным эскизам и бережет окружающую среду

Forbes
Как поддержать здоровье спины? Как поддержать здоровье спины?

Во время беременности позвоночник женщины подвергается колоссальным нагрузкам

9 месяцев
Почему мы все станем энергетиками? Почему мы все станем энергетиками?

Бережное отношение к ресурсам — тренд, который изменит энергетическую отрасль

Forbes
20-минутная тренировка груди в тренажерном зале, которая работает 20-минутная тренировка груди в тренажерном зале, которая работает

Гантели и коврик — все, что вам понадобится для эффективной тренировки груди

Cosmopolitan
«Будем честны: женщины тоже изменяют» «Будем честны: женщины тоже изменяют»

Женщины изменяют не реже, чем мужчины

Psychologies
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
O чем говорят в Нью-Йорке: самый глобальный модный тренд – «осознанная мода» O чем говорят в Нью-Йорке: самый глобальный модный тренд – «осознанная мода»

Человечество уверенно входит в новое десятилетие с новой модой, «осознанной»

Cosmopolitan
Мод Жульен: «Мать просто швырнула меня в воду» Мод Жульен: «Мать просто швырнула меня в воду»

Мод Жульен поделилась своей страшной историей в книге «Рассказ дочери»

Psychologies
Экономика «Великой рецессии»: какой след в науке оставили 2010-е Экономика «Великой рецессии»: какой след в науке оставили 2010-е

Рассматриваем самые актуальные экономические проблемы десятилетия

Forbes
Ми-ми-мишные убийцы: чем опасны домашние животные Ми-ми-мишные убийцы: чем опасны домашние животные

За ми-ми-мишностью скрывается целый ряд потенциально опасных заболеваний

Популярная механика
Гормоны в продуктах: как минимизировать вред? Гормоны в продуктах: как минимизировать вред?

Гормоны, содержащиеся в продуктах, могут оказать негативное влияние на организм

9 месяцев
Представлена новая теория появления кислорода на Земле Представлена новая теория появления кислорода на Земле

Уровень кислорода в атмосфере Земли изменялся на протяжении всей ее истории

Популярная механика
Как ребенок становится нарциссом? Как ребенок становится нарциссом?

Психолог рассказывает, как происходит нарциссическая адаптация

Psychologies
Война вирусов Война вирусов

В открытии интерферона у случайности была не последняя роль

Дилетант
Открыть в приложении