Всем энергии: Нобелевскую премию вручили за литий-ионные батареи

Стали известны имена учёных, удостоенных Нобелевской премии по химии 2019 года. Это Джон Гуденаф (John Goodenough), Стэнли Уиттингхэм (Stanley Whittingham) и Акира Ёсино (Akira Yoshino). Премия будет вручена им за разработку технологии литий-ионных батарей.

Отметим, что литий-ионные батареи сегодня обеспечивают энергией самые разные устройства, от смартфонов до электромобилей. Это самый популярный тип аккумуляторов для бытовой электроники. Что немаловажно, эти батареи выдерживают множество циклов перезарядки. Кроме того, они имеют относительно небольшой вес, ведь литий – самый лёгкий химический элемент, который при комнатной температуре находится в твёрдом состоянии.

Основы этой технологии заложил Уиттингхэм. В 1970-е годы он изучал сверхпроводники в лаборатории нефтяной компании Exxon.

Резкий рост цен на нефть в те годы заставил производителей сырья задуматься об альтернативных источниках энергии. Но полученную из них электроэнергию нужно было где-то хранить. Между тем на рынке было только два типа аккумуляторов: свинцовые (которые до сих пор используются в бензиновых автомобилях) и никель-кадмиевые. Ни те, ни другие не могли удовлетворить новых запросов промышленности.

Уиттингхэм изучал сверхпроводящие материалы, в том числе дисульфид тантала. В частности, химик исследовал, как происходит интеркаляция в случае этого соединения. Это явление заключается в том, что в межатомные промежутки одного вещества внедряются молекулы или ионы другого вещества. При этом интеркаляция обратима: "гостей" позднее можно удалить из исходного материала.

Интеркалировав дисульфид тантала ионами калия, учёный обнаружил, что в результате создалось электрическое напряжение около двух вольт. Это навело его на мысль создать аккумулятор на основе подобного явления. Планы были поддержаны руководством Exxon.

Тяжёлый тантал исследователь заменил на лёгкий титан, обладающий похожиии свойствами. Анод нового аккумулятора был изготовлен из лития. Дело в том, что анод должен отдавать электроны, а литий – очень подходящий для этого металл. На внешней электронной оболочке у него всего один электрон, и атому, можно сказать, не терпится с ним расстаться.

К слову, этим же обусловлена огромная химическая активность и взрывоопасность чистого лития, которая принесла экспериментаторам немало хлопот. Не раз в лаборатории возникали пожары. Чтобы сделать аккумулятор более безопасным, к металлическому литию электрода был добавлен алюминий. Кроме того, химики изменили состав электролита (вещества, проводящего электрический ток между электродами аккумулятора).

В 1976 году эти аккумуляторы стали производиться в небольшом объёме в качестве батарейки для швейцарских часов. А в 1980-х, когда цены на нефть резко упали, в Exxon свернули исследования.

Здесь эстафетную палочку подхватил Гудэнаф. Он понял, что можно усовершенствовать катод устройства, заменив сульфид металла на оксид металла. Его исследовательская группа принялась искать оксид, который давал бы достаточно высокое напряжение при интеркаляции ионами лития и не разрушался после удаления этих ионов. Химики остановились на оксиде кобальта. Такая батарея давала напряжение в четыре вольта, то есть почти вдвое выше, чем разработка Уиттингхэма.

Ещё одним новшеством Гудэнафа стала технология производства батарей в разряженном, а не в заряженном состоянии.

Учёный опубликовал плоды своих исследований в 1980 году, но на Западе они не встретили энтузиазма. А вот японские компании отчаянно нуждались в лёгких, мощных и долговечных батареях, способных питать инновационную электронику. Тут на сцену и вышел Акира Ёсино.

Нынешний лауреат использовал в качестве материала для катода оксид лития-кобальта (LiCoO2). Необходимо было также чем-то заменить металлический литий в аноде, так как это вещество делало батарею попросту опасной. Аккумулятор взрывался при падении на него тяжёлого груза. В конце концов Ёсино остановился на нефтяном коксе.

Батарея генерировала четыре вольта и была достаточно безопасной. Кроме того, в ней не использовались разрушительные для электродов химические реакции, что позволяло заряжать её снова и снова.

В сущности, разработка Ёсино, созданная на основе изобретений Уиттингхэма и Гудэнафа, и стала первой литий-ионной батареей, вышедшей в широкий коммерческий оборот. В 1991 году такие аккумуляторы стали выпускаться серийно.

Впрочем, учёные продолжали вносить в технологию улучшения. Так, Гудэнаф заменил оксид кобальта фосфатом железа, что сделало устройство более экологичным.

К слову, в 2013 году Ёсино удостоился премии "Глобальная энергия". Согласно официальной формулировке, она была вручена "за исследование и создание литий-ионных аккумуляторов для информационных и коммуникационных устройств, электрических и гибридных транспортных средств".

На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы по-прежнему не имеют конкурентоспособных альтернатив (в том числе с точки зрения коммерческой составляющей), а учёные создают весьма любопытные решения на их основе. Тем не менее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о технологиях, которые могут прийти им на смену в обозримом будущем. Среди них, например, алюминий-ионные и литий-воздушные батареи.

Напомним, что ранее мы писали о том, кто получил в 2019 году Нобелевскую премию по физике, а также по физиологии и медицине.