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

Гигантская. Критические дни Бетельгейзе Гигантская. Критические дни Бетельгейзе

Разбираемся с причинами глубокого «обморока» Бетельгейзе

Наука и жизнь
В горах родилась елочка В горах родилась елочка

Грузинские шишки покорили Европу

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Праздник для пластика Праздник для пластика

Нижегородская «МАГ Груп» открыла завод по переработке вторполимеров

Эксперт
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

Как видеть в жизни хорошее, не вступая в противоречие со здравым смыслом

Psychologies
Гляжусь в тебя как в зеркало Гляжусь в тебя как в зеркало

Самопсихоанализ внука Фрейда в Королевской академии художеств

Tatler
Два герцога: Ришельё против Бэкингема Два герцога: Ришельё против Бэкингема

Противостояние Англии и Франции в XVII веке — это ещё и противостояние министров

Дилетант
Маргарет Этвуд: да, нет, знаю Маргарет Этвуд: да, нет, знаю

Я верю в то, что у каждого есть силы что-то изменить

Glamour
О, спорт, ты — война? Как телепропаганда реагировала на новый допинговый скандал О, спорт, ты — война? Как телепропаганда реагировала на новый допинговый скандал

Опять эта ВАДА мутит воду, чтобы не сказать прямее: мочу российских спортсменов

СНОБ
За блокчейн без криптовалют За блокчейн без криптовалют

Трудные отношения Китая и многообещающей технологии блокчейна продолжаются

Эксперт
Робот и другие помощники. 10 самых раздражающих опций в автомобилях Робот и другие помощники. 10 самых раздражающих опций в автомобилях

Сомнительные опции, за которые не имеет смысла платить

РБК
Как нас втягивают в токсичные отношения Как нас втягивают в токсичные отношения

У таких отношений есть очень точное определение: нам в них физически плохо

Psychologies
К сексу нужно относиться с юмором К сексу нужно относиться с юмором

Богатый жизненный опыт «how to be playboy» Тимура Батрутдинова

Playboy
20 правил холостой жизни взрослого мужчины 20 правил холостой жизни взрослого мужчины

Вам уже не 20, а вы до сих пор (или уже) не женаты?

GQ
Правила Аюрведы, чтобы счастливо прожить зиму Правила Аюрведы, чтобы счастливо прожить зиму

Советы Аюрведы, чтобы счастливо прожить зиму

Yoga Journal
Тимур Бекмамбетов: «Я всегда занимался тем, чего не было до меня» Тимур Бекмамбетов: «Я всегда занимался тем, чего не было до меня»

Режиссер, продюсер и изобретатель — о своем новом проекте и новых технологиях

Эксперт
Вопрос на засыпку: что делать, если волосы быстро жирнятся Вопрос на засыпку: что делать, если волосы быстро жирнятся

Грязные и вязкие волосы уже в первый день после мытья?

Cosmopolitan
Дилемма внедорожников Дилемма внедорожников

Смогут ли внедорожники полностью вытеснить с дорог седаны

Robb Report
Каким получился фильм «Союз спасения» Каким получился фильм «Союз спасения»

Рецензия на фильм, рассказывающий историю восстания декабристов

РБК
Розы нуждаются в защите Розы нуждаются в защите

Российские цветоводы констатируют предбанкротное состояние отрасли

Эксперт
Грусть выходного дня Грусть выходного дня

Прислушайтесь к себе, если вы не знаете, как распорядиться свободным временем

Здоровье
Что не так с сериалом «Ведьмак» Что не так с сериалом «Ведьмак»

Почему новый проект Netflix большинству зрителей не зашел

GQ
Выгодный курс Выгодный курс

Считаем, что лучшая новогодняя атмосфера царит в Париже, Нью-Йорке и Москве!

Grazia
1996 год 1996 год

Срок первого президента РФ подошёл к концу, смута продолжается

Esquire
Инна Шульженко: Пелагеин двор. История тарусской женщины, спасавшей интеллигенцию в 1950-1970-х Инна Шульженко: Пелагеин двор. История тарусской женщины, спасавшей интеллигенцию в 1950-1970-х

Пелагея Стёпина принимала на постой всех, кого больше никто к себе не пускал

СНОБ
Правее, на Солнце Правее, на Солнце

Весь прошедший год мы находили поводы для оптимизма и почти поверили в себя

Огонёк
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
Практичная квартира для творческих людей, 42 м² Практичная квартира для творческих людей, 42 м²

Хозяева этой квартиры выбрали дизайнера по чувству юмора и не прогадали

AD
Как за полгода покорить 14 высочайших гор мира? Как за полгода покорить 14 высочайших гор мира?

Нирмал Пурджа покорил самые страшные горы и спас по пути несколько жизней

GQ
1990 год 1990 год

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

Esquire
Открыть в приложении