Нобелевскую премию по химии дали за разработку литий-ионных аккумуляторов
Работы трёх лауреатов премии 2019 года в разное время внесли большой вклад в развитие технологии литий-ионных аккумуляторов.
Многие, услышав о вручении той или иной научной награды, задаются вопросом: «Хорошо, а как это можно применить в обычной жизни?» И коль скоро Нобелевская премия – самая известная в мире награда за научные достижения, то и такие заочные вопросы Нобелевским лауреатам звучат чаще всего. Но в сегодняшнем случае всё совсем по-другому – результатами научной работы лауреатов пользуется практически каждый из нас. Ведь именно литий-ионные аккумуляторы питают большинство мобильных устройств, без которых уже сложно представить современную жизнь.
Конечно, перезаряжаемые источники питания или, попросту говоря, батарейки были и до литиевой «эры». Но именно литий стал тем элементом, который позволил аккумуляторам на его основе выйти за пределы лабораторий и поселиться в обычном мире, очень успешно, надо сказать. Однако если мы даже бегло посмотрим на историю литий-ионной батарейки, то поймём, что для «самостоятельной» жизни её готовили на протяжении не одного десятилетия, и не один десяток исследователей, а многочисленные научные группы. Поэтому если дать Нобелевскую премию за развитие литий-ионных технологий было относительно легко, то вот выбрать, кому же именно её присудить, не такая уж и простая задача. Поскольку, повторимся, над развитием этой области работало очень много и химиков, и физиков и других исследователей. Тем не менее Нобелевский комитет выбрал троих учёных, чей вклад в становление и развитие технологии был признан самым значимым.
Одним из трёх награждённым стал Стэнли Уиттингэм (Stanley Whittingham), получивший премию за свои работы 1970х годов по созданию перезаряжаемой электрической батареи на основе лития. Тогда удалось создать прототип устройства, в котором роль одного электрода выполнял дисульфид титана, а другой электрод был выполнен из металлического лития. Зарядка или разрядка такого аккумулятора связана с переносом ионов лития с одного электрода на другой и обратно. На словах всё кажется довольно простым, но почему тогда от первого прототипа до первого серийного аккумулятора прошло практически двадцать лет?
Ответ кроется в долгом поиске материалов для электродов, которые должны одновременно накапливать и отдавать литий, делать это не один и не два раза, и помимо всего прочего вся конструкция должна быть безопасной, насколько это возможно. И дешёвой. Аккумуляторы на основе электродов из дисульфида титана и металлического лития были одновременно и дорогими, и небезопасными – они непредсказуемо взрывались. Однако идея создания «правильного» литий-ионного аккумулятора казалась очень заманчивой, поэтому многие научные коллективы вступили в гонку по поиску подходящих материалов для него.
Следующий лауреат, кстати, самый пожилой из награждённых (в 2019 году ему исполнилось 97 лет) – Джон Гуденаф (John Goodenough). В 1980 году он высказал идею об использовании в качестве катода в литиевой батарее соединений на основе оксида кобальта вместо применявшихся ранее сульфидов металлов. Материал с названием оксид лития-кобальта оказался очень удачным в этом плане. Катод на его основе мог эффективно впускать в себя и выпускать обратно ионы лития, которые обратимо встраивались в его кристаллическую структуру. К тому же оксиды кобальта были куда более «приятными» в обращении веществами, чем те же сульфиды. Всё шло к тому, чтобы в скором времени на свет вышла первая серийная литий-ионная батарея.
Но чтобы это случилось, нужно было решить ещё несколько задач. Во-первых, избавиться от металлического лития – он использовался в качестве второго электрода. Это удалось сделать Рашиду Язами (Rachid Yazami). Он показал, что графит отлично справляется с такой задачей. Дело в том, что графит обладает слоистой структурой, и в пространство между слоями атомов углерода могут «заходить» другие атомы, особенно если они небольшого размера, как раз такие, как литий. Вторая проблема, которую предстояло решить исследователям, заключалась в подборе среды (электролита), по которой могли бы перемещаться ионы лития от электрода к электроду. Это тоже оказалось нетривиальной задачей, поскольку электролит должен был быть стабилен при контакте с обоими электродами и другими компонентами аккумулятора.
На то, чтобы собрать воедино все элементы и сделать конструкцию аккумулятора надёжной и безопасной, у исследователей ушло ещё практически десять лет. Пока, наконец, в 1985 году Акиро Ёсино (Akira Yoshino) не создал первый прототип литий-ионного аккумулятора, пригодного для серийного производства. Правда, потребовалось ещё целых шесть лет, прежде чем первый серийный аккумулятор увидел свет. А в 2019 году Акиро Ёсино стал третьим лауреатом Нобелевской премии по химии.
Закончилась ли на этом история литиевых аккумуляторов? Совсем нет! Исследователи во всём мире не прекращают разработку новых технологий накопления электрической энергии. Это и совершенствование аккумуляторов на основе ионов лития. И поиск альтернативных материалов, которые могли бы заменить сам литий. И решение множества технических проблем, которые оказались за рамками этой статьи. Однако нынешняя Нобелевская премия по химии вполне справедливо отметила важную веху в развитии литий-ионных аккумуляторов, когда зародившаяся почти полвека назад технология в прямом смысле пришла в каждый дом.
По материалам Нобелевского комитета
9 октября 2019
Статьи по теме:
