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

Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Как мы будем лечить зубы в будущем: роботы-стоматологи и регенерация Как мы будем лечить зубы в будущем: роботы-стоматологи и регенерация

Стоматология стоит на пороге новых удивительных возможностей

Naked Science
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Поколение Netflix. Как так вышло, что мы все стали смотреть сериалы Поколение Netflix. Как так вышло, что мы все стали смотреть сериалы

За последние годы сериалы серьезно потеснили и большое кино

Forbes
«Синдром Обломова»: как преодолеть пассивность «Синдром Обломова»: как преодолеть пассивность

Что делать, если пассивность входит в привычку?

Psychologies
От Хвалынска до Холуя: 7 самых интересных малых городов России От Хвалынска до Холуя: 7 самых интересных малых городов России

Уникальные истории малых городов России

Forbes
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
К какой роскоши тяготеют диктаторы К какой роскоши тяготеют диктаторы

Век большинства диктаторов короткий, но яркий

GQ
«Первый бизнес я начал в 12 лет»: один из самых успешных российских венчурных инвесторов Дмитрий Волков о Tinder, Канте и Burning Man «Первый бизнес я начал в 12 лет»: один из самых успешных российских венчурных инвесторов Дмитрий Волков о Tinder, Канте и Burning Man

Дмитрий Волков — о Tinder, Канте и Burning Man

Forbes
Богатенький Буратино: как накопить деньги на покупку мечты Богатенький Буратино: как накопить деньги на покупку мечты

Научись копить деньги прямо сейчас, и мечты станут реальностью

Cosmopolitan
Жена одного из первых инвесторов Google подала на него в суд из-за продажи стартапа по «смешной цене» Жена одного из первых инвесторов Google подала на него в суд из-за продажи стартапа по «смешной цене»

Скотт Хассан вот уже несколько лет ведет тяжелый бракоразводный процесс

Forbes
Всплеск посреди бюджетного сжатия Всплеск посреди бюджетного сжатия

Прогноз на 2020 год от президента партнерства «Новый экономический рост»

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

Как подобрать самый беспроигрышный оттенок помады для любого образа

Cosmopolitan
Каким получился фильм «Союз спасения» Каким получился фильм «Союз спасения»

Рецензия на фильм, рассказывающий историю восстания декабристов

РБК
Не та Осетия: чем заняться туристу в не признанной почти никем республике Не та Осетия: чем заняться туристу в не признанной почти никем республике

Самобытный маршрут из Северной Осетии в Южную

РБК
Богини и горшки Богини и горшки

Новоиспеченные художницы рассказали, что же они нашли в грубой глине

Vogue
Чем знаменит великий модельер Эмануэль Унгаро Чем знаменит великий модельер Эмануэль Унгаро

Творческий путь Унгаро и наследие, которое он оставил нынешней индустрии моды

Esquire
Как проходит смертная казнь посредством инъекции Как проходит смертная казнь посредством инъекции

Рассказы медсестры и тюремного капеллана о смертной казни в современной Америке

Esquire
Осторожно, «голубое» фотостарение! Осторожно, «голубое» фотостарение!

«Голубое» излучение и его вред для кожи

9 месяцев
Как получить лицензионную Windows 10 бесплатно Как получить лицензионную Windows 10 бесплатно

Последняя версия самой популярной операционной системы прошла проверку временем

Популярная механика
Элизабет Дебики: «Из-за количества работы я забыла, что делает меня счастливой» Элизабет Дебики: «Из-за количества работы я забыла, что делает меня счастливой»

Уходящий год для актрисы Элизабет Дебики выдался весьма удачным

Grazia
Умный чип спешит на помощь Умный чип спешит на помощь

Искусственному интеллекту нужны специальные процессоры

Эксперт
Встать рядом с китайцами Встать рядом с китайцами

«Обувь России» хочет активнее работать с регионами через AliExpress

Эксперт
Всевидящее око Иеремии Бентама Всевидящее око Иеремии Бентама

Иереми Бентам придумал план идеальной тюрьмы

Дилетант
Во всём блеске Во всём блеске

Интерьер для молодой и успешной заказчицы, которая любит во всём белый цвет

SALON-Interior
Формат недосказанности Формат недосказанности

Что показала парижская встреча лидеров России, Украины, Германии и Франции

Огонёк
Размер имеет значение: самые большие яхты 2019 года Размер имеет значение: самые большие яхты 2019 года

Одиннадцать самых крупных яхт, спущенных на воду в 2019 году.

Forbes
Боевые мемы под шапочкой из фольги. Какие предновогодние зачеты сдают студенты РТУ Боевые мемы под шапочкой из фольги. Какие предновогодние зачеты сдают студенты РТУ

Виталий Григорьев прославился на всю страну

СНОБ
5 самых странных алкогольных напитков: от золотого шнапса до пива из помоев 5 самых странных алкогольных напитков: от золотого шнапса до пива из помоев

Культура изготовления алкоголя идет бок о бок с человеческой цивилизацией

Популярная механика
Как приобщить детей к благотворительности Как приобщить детей к благотворительности

Сегодня есть много возможностей для того, чтобы «благотворить», делать добро

Psychologies
Открыть в приложении