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

Низкие температуры Низкие температуры

Что такое температура и что происходит с телом, когда его нагревают

Наука и жизнь
Дом мечты Дом мечты

Масштабный проект архитекторов Ирины и Юрия Вопшиновых

SALON-Interior
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Как в СССР подчинили фантастику пропаганде социалистических достижений

Наука и жизнь
«Не существует столько дорог». Как ГИБДД предлагает повысить безопасность «Не существует столько дорог». Как ГИБДД предлагает повысить безопасность

Госавтоинспекция хочет изменить привычки автомобилистов и повысить безопасность

РБК
Рабби Давид из люфтваффе Рабби Давид из люфтваффе

В 2019 году Бундестаг одобрил введение в Германии военного раввината

Дилетант
Последний из рода Юсуповых Последний из рода Юсуповых

В 1900 году Юсуповы составили завещание о передаче своих коллекций государству

Караван историй
8 самых инстаграмных мест мира, куда все едут сфотографироваться 8 самых инстаграмных мест мира, куда все едут сфотографироваться

Люди едут туда за самыми незабываемыми снимками

Playboy
«Пошлите-ка Вы этого жулика Маркса ко всем чертям»: как рождался русский книжный бизнес «Пошлите-ка Вы этого жулика Маркса ко всем чертям»: как рождался русский книжный бизнес

Яркие страницы рождения книгоиздательского бизнеса в России

Forbes
Мощное средство Мощное средство

Бытовая химия стала популярной после создания яркого бренда

Forbes
Мама может Мама может

Пришла пора посвятить в ЗОЖ недоверчивых мам и бабушек

Tatler
Общественные деятели, политики и деятели искусства вспоминают Лужкова Общественные деятели, политики и деятели искусства вспоминают Лужкова

Бывший мэр Москвы Юрий Лужков умер в возрасте 83 лет

Esquire
Львиная доля Львиная доля

Откуда появился поп-певец Лев Деньгов

GQ
Приятная повинность: как российские миллиардеры становятся виноделами во Франции Приятная повинность: как российские миллиардеры становятся виноделами во Франции

Как во Франции российские предприниматели создают собственное вино

Forbes
Здоровое будущее Здоровое будущее

Основатель компании Organic People: чем он планирует удивить любителей йоги

Yoga Journal
В тылу «Аванпоста» В тылу «Аванпоста»

Лукерье Ильяшенко было приятно снять бронежилет после спасения Земли

Maxim
Я свободен Я свободен

Во время длинных каникул родители напряженно думают о том, чем бы занять детей

Добрые советы
Дорогой автопром: сколько государство потратило на поддержание рынка Дорогой автопром: сколько государство потратило на поддержание рынка

Как государство помогало автопрому последние 10 лет

РБК
Сирша Ронан. Свободное плавание Сирша Ронан. Свободное плавание

К своим двадцати пяти годам актриса была уже трижды номинирована на «Оскар»

Караван историй
Как наши смартфоны следят за нами Как наши смартфоны следят за нами

Уходящие 2010-е можно назвать первым настоящим интернет-десятилетием

Esquire
15 мыслей Сергея Мазаева 15 мыслей Сергея Мазаева

Основатель группы «Моральный кодекс» подвел пару итогов

GQ
Как пользоваться посудомойкой, чтобы она долго прослужила Как пользоваться посудомойкой, чтобы она долго прослужила

Рассказываем, как пользоваться посудомойкой, чтобы ее не испортить

Cosmopolitan
Право на слово «нет»: как научиться им пользоваться Право на слово «нет»: как научиться им пользоваться

Хочется сказать «нет», но будто бы само собой получается «да». Почему?

Psychologies
Оформляют бамперы, попадают под КамАЗы: что делать после ДТП на трассе Оформляют бамперы, попадают под КамАЗы: что делать после ДТП на трассе

Почему после аварии на трассе не стоит ждать инспекторов на месте столкновения

РБК
«Дача» для миллиардера: как выглядит изнутри яхта-ледокол Олега Тинькова «Дача» для миллиардера: как выглядит изнутри яхта-ледокол Олега Тинькова

Как выглядит новая яхта Олега Тинькова изнутри

Forbes
Кольская кладовая Кольская кладовая

Кольский полуостров богат сказочно, фантастически

Дилетант
Безумный клоун против слизи-гипнотизера: морские супергерои Безумный клоун против слизи-гипнотизера: морские супергерои

Праздничный вид кораллового рифа – сплошной обман

Популярная механика
Мама двоих Мама двоих

Светлана Иванова о том, каково работалось с грудным ребенком на руках

OK!
Чтобы мечты сбывались Чтобы мечты сбывались

Когда еще менять жизнь, как не с Нового года

Лиза
От Ленина до Путина. Как ходатайствовали за политических при советской власти От Ленина до Путина. Как ходатайствовали за политических при советской власти

Старый институт вызволения из тюрьмы политических заключенных

СНОБ
7 частых проблем, с которыми сталкивается каждый путешественник 7 частых проблем, с которыми сталкивается каждый путешественник

Есть проблемы, которые случаются почти со всеми путешественниками

Playboy
Открыть в приложении