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

Верные слуги короля Верные слуги короля

С XVII века королевские мушкетёры стали привилегированными войсками

Дилетант
Суперсет: тренировка для рельефных плеч в тренажерном зале Суперсет: тренировка для рельефных плеч в тренажерном зале

Эффективная тренировка для плеч в тренажерном зале подойдет абсолютно всем

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Надпись на камне: Девяностые – это Я Надпись на камне: Девяностые – это Я

Отрывок из романа Игоря Григорьева

Esquire
Бизнесы на грани фантастики Бизнесы на грани фантастики

У стартапов российского происхождения есть опыт, чтобы подхватить новую волну

Эксперт
Лига миллионеров: самые высокооплачиваемые спортсмены десятилетия Лига миллионеров: самые высокооплачиваемые спортсмены десятилетия

Кто еще попал в список спортсменов-миллионеров, кроме Флойда Мейвейзера?

Forbes
На пиковых перекрёстках Гороховой улицы На пиковых перекрёстках Гороховой улицы

Магическое притяжение Гороховой улицы в Санкт-Петербурге

Наука и жизнь
Война вирусов Война вирусов

В открытии интерферона у случайности была не последняя роль

Дилетант
Как Владимир Зеленский стал президентом, не переставая быть артистом Как Владимир Зеленский стал президентом, не переставая быть артистом

Кинокритик поразмышлял над тем, как сюжет «Слуга народа» воплотился в жизни

РБК
Птица нового счастья Птица нового счастья

О рулете из индейки

Огонёк
Смотреть фото и видео с милыми животными полезно для мозга Смотреть фото и видео с милыми животными полезно для мозга

В наших силах — найти «антидот» на просторах интернета

Psychologies
Новый год без тормозов Новый год без тормозов

Кто сказал, что к 31-му декабря надо обязательно переделать все дела?

Лиза
Что происходит с организмом при переедании Что происходит с организмом при переедании

Из всех искусств для нас важнейшим является банкет

Maxim
Гранит науки Гранит науки

Старое доброе «Учиться, учиться и еще раз учиться» сейчас актуально как никогда

Cosmopolitan
«Особый взгляд» для особых людей «Особый взгляд» для особых людей

В Москве прошел первый российский фестиваль социального театра «Особый взгляд»

СНОБ
Марсианское вторжение на Бадаевский завод Марсианское вторжение на Бадаевский завод

Проект «парящего небоскреба» стал предметом острого градостроительного конфликта

Эксперт
Чак Паланик Чак Паланик

Правила жизни Чака Паланика

Esquire
В горах родилась елочка В горах родилась елочка

Грузинские шишки покорили Европу

Огонёк
Виктория Лопырева: «Если завтра Игорь полюбит другую, отпущу, не раздумывая» Виктория Лопырева: «Если завтра Игорь полюбит другую, отпущу, не раздумывая»

Виктория развеяла все слухи вокруг их отношений с Игорем Булатовым

Cosmopolitan
Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды

Каково это - жить, когда видишь только половиной левого глаза

Cosmopolitan
Я люблю тебя, Дима Я люблю тебя, Дима

Близкие Димы Билана поделились, как он помог им

StarHit
Что такое крепатура мышц после тренировки и как от неё избавиться Что такое крепатура мышц после тренировки и как от неё избавиться

Что делать после тренировки, чтобы не возникла крепатура мышц на следующий день?

Cosmopolitan
Лишат прав без суда: как будут бороться с неадекватными водителями Лишат прав без суда: как будут бороться с неадекватными водителями

ГИБДД начнет аннулировать права у наркоманов и алкоголиков без решений суда

РБК
Базовый гардероб мужчины: основные элементы и советы по подбору вещей Базовый гардероб мужчины: основные элементы и советы по подбору вещей

Что должен включать в себя базовый мужской гардероб

Playboy
«Возьмемся за руки, друзья»: почему это облегчает боль «Возьмемся за руки, друзья»: почему это облегчает боль

Попросите партнера быть рядом и держать вас за руку для облегчения боли

Psychologies
Улететь, а не пролететь: как сэкономить на покупке авиабилетов Улететь, а не пролететь: как сэкономить на покупке авиабилетов

Зачастую именно авиабилеты составляют львиную долю стоимости путешествия

Популярная механика
Грибное место: как Умбрия стала центром охоты на трюфели Грибное место: как Умбрия стала центром охоты на трюфели

Путешествие ради знакомства с охотниками на трюфелей

РБК
Первая технологическая война Первая технологическая война

Удастся ли Китаю вернуть себе статус самой мощной цивилизации мира

Эксперт
Чтобы мечты сбывались Чтобы мечты сбывались

Когда еще менять жизнь, как не с Нового года

Лиза
Как мы находим «своих людей» в эпоху соцсетей Как мы находим «своих людей» в эпоху соцсетей

Как рождается дружба и какие испытания ждут ее в эпоху соцсетей

СНОБ
Открыть в приложении