Нобелевская премия по химии присуждена за литий-ионные аккумуляторы
"Они создали перезаряжающийся мир". Так начинается пресс-релиз, сообщающий о присуждении Нобелевской премии по химии в 2019 году. Чести награждения удостоились трое ученых: Стэнли Виттингхэм (Stanley Whittingham) из Университет Бингемтона (США), Джон Гуденаф (John Goodenough) из университета Техаса в Остине и Акира Есино (Akira Yoshino) работник компании Asahi Kasei и сотрудник Университета Мейдзе. Каждый из них много лет назад в свое время сделал решающий вклад в то, что сегодня представляют собой литий-ионные аккумуляторы.
Как подчеркивают в Комитете, изобретение литий-ионного аккумулятора трудно переоценить. В комментариях к новостям об аккумуляторах на нашем сайте часто можно встретить возмущенные отзывы о недостаточной емкости или больших размерах литий-ионных батарей. Но если бы их не было, вокруг нас не было бы много чего, включая новомодных квадракоптеров, самокатов и массы компактных и легких гаджетов с автономным питанием. Да, и смартфоны с кислотными или никель-кадмиевыми, а то и со щелочными источниками питания выглядели бы совсем по-другому.
Корни изобретения литий-ионных аккумуляторов уходят в 70-е годы прошлого века. В США бушевал нефтяной кризис и Стэнли Виттингхэм в поиске перспективных источников энергии в ходе экспериментов с суперконденсаторами открыл новый материал для катодов литиевых батарей. Этим материалом стал дисульфид титана. Выяснилось, что данный материал превосходно интеркалирует (включает) в свою молекулярную структуру ионы лития.
Процесс следующий. Анод литиево-ионной батареи включает частицы металлического лития, который при разряде окисляется и через разделительный барьер в виде катионов (положительно заряженных ионов) движется в сторону катода и там накапливается. При заряде происходит обратный восстановительный процесс. Катионы возвращаются в анод и восстанавливают литий до металлического состояния.
Предложенный в 1976 году аккумулятор вырабатывал 2 В. Ближе к 1980 году Джон Гуденаф предложил заменить сульфид металла оксидом, что, по его мнению, могло повысить мощность литий-ионных аккумуляторов. Новым материалом для катода стал оксид кобальта, а напряжение на аккумуляторе выросло до 4 В.
Третий значительный шаг в совершенствовании литий-ионных аккумуляторов сделал Акира Есино. Он предложил заменить материал анода, который хранит частички металлического лития, на сажу (продукты разложения углеводородов). Такой материал чрезвычайно пористый и способен включать в себя много больше лития, а это энергоемкость и, кстати, безопасность, что попутно выяснилось. После вклада Есино риск взрыва и возгорания литий-ионных аккумуляторов при повреждении существенно снизился. Сегодня все это вылилось в удобный и массовый продукт, максимально безопасный и практически незаменимый в повседневной жизни.
