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

Побег с аэродрома Побег с аэродрома

Циклолеты – «летающие комбайны» – становятся экономичнее квадрокоптеров

Популярная механика
Взгляд сверху Взгляд сверху

Седаны, универсалы, хетчбэки и купе скоро канут в Лету

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Нарисуем — будут жить Нарисуем — будут жить

Не всем концептам суждено было выжить, но кому-то было нужно их появление

Robb Report
Вся правда о глютене: мифы и факты Вся правда о глютене: мифы и факты

Что это за таинственное вещество, которое так испугало мировую общественность?

Популярная механика
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
Царь-птица Царь-птица

К этим гордым и боевым птицам мы относимся с поразительным пренебрежением

Популярная механика
Пора-пора порадуемся Пора-пора порадуемся

Юбилей отмечает фильм «Д’Артаньян и три мушкетера»

Лиза
Чем запомнилась мода 2010-х: часть вторая Чем запомнилась мода 2010-х: часть вторая

Вспоминаем громкие и значимые события, с которыми будут ассоциироваться 2010-е

GQ
Lindemann Lindemann

Участники проекта Lindemann — о репутационных скандалах, свободе слова и водке

Maxim
Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера

За счет чего сахалинский предприниматель ведет успешный бизнес в Москве?

Forbes
Евгения Медведева: Вдохновение, чтобы кататься на коньках, у меня есть всегда Евгения Медведева: Вдохновение, чтобы кататься на коньках, у меня есть всегда

Интервью с двукратной чемпионкой мира Евгенией Медведевой

СНОБ
11 привычек, которые надо развить в 20 лет, чтобы стать миллионером к 30 годам 11 привычек, которые надо развить в 20 лет, чтобы стать миллионером к 30 годам

Здесь не будет воды и мотивационных речей, только правила и рекомендации

Playboy
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
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
Убить вождя Убить вождя

Покушение на Ленина полно вопросов

Дилетант
Шантаж и подкуп. Как склоняют к сожительству Александра Лукашенко Шантаж и подкуп. Как склоняют к сожительству Александра Лукашенко

Одна из особенностей российского делового этикета — вести переговоры

СНОБ
Памяти Анны Карина: 4 фильма Жан-Люка Годара с участием актрисы Памяти Анны Карина: 4 фильма Жан-Люка Годара с участием актрисы

Вспоминаем лучшие фильмы Годара с участием его главной музы

GQ
Спляшем, Пегги, спляшем Спляшем, Пегги, спляшем

Кореянка из Берлина Пегги Гу замахнулась на подиумы, запустив свой бренд Кirin

Vogue
Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать Неожиданное открытие: потеря генов позволяет выживать

Выживая, птицы способны отбрасывать «ненужные» гены

Популярная механика
Последний из рода Юсуповых Последний из рода Юсуповых

В 1900 году Юсуповы составили завещание о передаче своих коллекций государству

Караван историй
Семен Серзин Семен Серзин

Актер и режиссер играет главную роль в фильме Кирилла Серебренникова

Собака.ru
В школе ребенку плохо: что делать? В школе ребенку плохо: что делать?

Представьте себе ситуацию: ваш сын или дочь наотрез отказывается ходить в школу

Psychologies
Чудеса, да и только! 7 самых крутых и современных изобретений для женщин Чудеса, да и только! 7 самых крутых и современных изобретений для женщин

На самом деле будущее близко — оно уже здесь. Интересные женские стартапы

Cosmopolitan
Первые дни мамы и малыша дома: как ухаживать за новорожденным? Первые дни мамы и малыша дома: как ухаживать за новорожденным?

Впервые оставшись с ребенком одна, мама сталкивается с рядом вопросов и проблем

9 месяцев
На чем заработать и как сохранить заработанное в 2020 году: гид для инвестора На чем заработать и как сохранить заработанное в 2020 году: гид для инвестора

Какие стратегии выбрать в этих условиях рынка?

Forbes
Новогодняя резолюция. Как составить свой финансовый план на следующий год Новогодняя резолюция. Как составить свой финансовый план на следующий год

Вы усердно работали весь год, но на счете снова нет денег. Почему?

Forbes
Я больше не буду Я больше не буду

92% людей, дающих новогодние обещания, не выполняют их

Cosmopolitan
Цветные поцелуи: как подобрать помаду для губ Цветные поцелуи: как подобрать помаду для губ

Как подобрать самый беспроигрышный оттенок помады для любого образа

Cosmopolitan
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
Открыть в приложении