Лауреатами Нобелевской премии в области химии стали разработчики литий-ионных батарей

Если вы читаете эту статью с мобильного телефона, планшета или ноутбука, вам следует поблагодарить за это трех нобелевских лауреатов 2019 года за их работу в области литий-ионных батарей.

Разработанные учеными из Великобритании, Америки и Японии аккумуляторы, благодаря которым стало возможным использование мобильных устройств, стали революционным моментом не только в отношении совершения звонков и работы на компьютере – они обеспечили накопление энергии в энергетических системах, открыв новые перспективы в борьбе с глобальным потеплением.

Лауреатами премии Нобеля в области химии, объявленными 9 октября 2019 года, стали: 97-летний американский физик, профессор  Техасского университета, Джон Гуденаф (John B. Goodenough), 77-летний английский химик Стенли Уиттингхем из Университета штата Нью-Йорк в Бингемтоне и 71-летний японский ученый-химик Акира Йошино (Akira Yoshino), профессор Университета Мэйдзе.

Присужденная премия стала кульминацией в развитии по-настоящему революционной технологии, вошедшей в жизнь миллиардов людей на всей планете в виде мобильных телефонов, компьютеров, кардиостимуляторов и электромобилей.

«Сердцем телефона является перезаряжаемая батарея. Сердцем электронного автомобиля – перезаряжаемый аккумулятор. От аккумуляторов зависит успех или провал множества новых технологий», – считает химик Нью-Йоркского университета Алексей Джершоу (Alexej Jerschow), который занимается диагностикой литий-ионных батарей.

Все три лауреата сделали уникальные открытия, заложившие основу для создания перезаряжаемых батарей в коммерческом масштабе и вытеснившие используемые ранее  алкалиновые батареи. В свою очередь, перезаряжаемые батареи сделали возможным развитие беспроводной электроники – мобильных телефонов и ноутбуков. Более того, они позволили уйти от топлива, поскольку могут применяться практически везде – от питания электромобилей до возобновляемых источников энергии.

В целом, на разработку литий-ионных батарей  – первых по-настоящему портативных и перезаряжаемых аккумуляторов – потребовалось более десяти лет, при этом в ней приняли участие ученые из разных стран мира.

Создание самой мощной батареи

Отдельный элемент очень редко играет ключевую роль в истории, однако в случае с Нобелевской премией 2019 года в области химии произошло именно так – героем стал элемент под названием литий, открытый шведскими учеными-химиками в 1817 году. При этом главную роль сыграло самое слабое место лития – его реактивность.

Попробуем отмотать время на 50 лет назад, к началу истории литий-ионных батарей. В середине 20 века количество бензиновых автомобилей резко возросло, и, как следствие, увеличилось негативное влияние выбрасываемых в атмосферу выхлопных газов. Этот факт, вкупе с пониманием того, что нефть является истощаемым ресурсом, заставил производителей автомобилей и нефтяные компании делать инвестиции в развитие электромобилей и альтернативных источников энергии, для функционирования которых были необходимы мощные батареи. В то время на рынке присутствовало два вида перезаряжаемых батарей – изобретенная  в 1859 году тяжелая свинцовая батарея и никелькадмиевая батарея, появившаяся в первой половине 20 века.

Одной из компаний, решивших инвестировать в исследования в области энергетики, стал американский нефтяной гигант Exxon. Стенли Уиттингхем начал работать на Exxon в 1972 году. Он приехал из Стенфордского университета, где работал с явлением, известным как интеркаляция. В Exxon Уиттингхем и его коллеги занялись изучением сверхпроводящих материалов, в том числе дисульфида тантала, способного интеркалировать ионы. Они добавили ионы к дисульфиду тантала и изучали, как это влияет на его проводимость.

Открытие Уиттингхема

Лауреатами Нобелевской премии в области химии стали разработчики литий-ионных батарей

Как часто случается в науке, этот эксперимент привел к неожиданному и очень ценному открытию. Оказалось, что ионы калия влияют на проводимость дисульфида тантала, а при более подробном изучении Уиттингхем заметил, что этот материал обладает очень высокой энергетической емкостью. Взаимодействия, возникающие между ионами калия и дисульфидом тантала, были удивительно богаты энергией и генерировали 2 вольта.

Ученый быстро понял, что ему нужно двигаться в этом направлении и развивать новую технологию, способную накапливать энергию для электрических автомобилей будущего. Однако тантал является одним из самых тяжелых элементов, а на рынке тяжелые батареи были не нужны, поэтому Уиттингхем заменил его на элемент с аналогичными свойствами, но более легкий.

Именно здесь на сцену вышел литий, который стал использоваться в качестве отрицательного электрода инновационной батареи Стенли Уиттингхема. Выбор пал не случайно – в батареи электроны должны перемещаться от отрицательного электрода – анода – к положительному – катоду. Таким образом, анод должен содержать материал, легко отдающий электроны, и для этих целей как нельзя лучше подходил литий.

В результате появилась перезаряжаемая литиевая батарея, работающая при комнатной температуре и обладающая (в буквальном смысле слова) огромным потенциалом. Уиттингхем  рассказал о проекте представителям Exxon на собрании, длившемся  около 15 минут, во время которого было принято быстрое решение – разработать батарею для использования в коммерческих целях.

Однако, к сожалению, батарея оказалась очень взрывоопасной. Чтобы сделать ее безопаснее, был добавлен алюминий, и в 1976 году Уиттингхем объявил о своем открытии и батареи начали производиться, хотя и в небольших, но коммерческих  масштабах.

Следующей целью было масштабировать литиевую батарею таким образом, чтобы она могла обеспечивать питание автомобиля. Однако в начале 1980-х годов цены на нефть упали, Exxon пришлось урезать расходы, и работа над технологией батареи Уиттингхема была прекращена.

Вклад Гуденафа

Лауреатами Нобелевской премии в области химии стали разработчики литий-ионных батарей

Тогда в разработках начал участвовать Джон Гуденаф, которому было известно о революционной батарее Уиттингхема. Гуденаф пришел к выводу, что катод будет иметь более высокий потенциал, если будет создан не из сульфида, а из оксида металла. К 1980 году Гуденаф увеличил емкость батареи в два раза (до четырех вольт), используя в катоде – одном из электродов на концах батареи – окись кобальта.

Также Гуденаф установил, что батареи должны производиться не заряженными – их следует заряжать позднее. Это открытие стало решающим шагом на пути к беспроводной революции.

Разработки Йошино

Лауреатами Нобелевской премии в области химии стали разработчики литий-ионных батарей

Стоит отметить, что если на Западе из-за падения цен на нефть инвестиции в изучение альтернативных источников энергии и развитие электокаров уменьшились, то в Японии все обстояло совсем наоборот – производителям электроники очень нужны были легковесные, перезаряжаемые батареи, способные обеспечить питание инновационных устройств – видеокамер,  беспроводных телефонов и компьютеров. Эту необходимость подметил ученый Акира Йошино, который решил разработать функциональную перезаряжаемую батарею.

Достижением Йошино стало использование нефтяного (камменоугольного) кокса – побочного продукта нефтяной отрасли. Разработанная Акира Йошино  батарея оказалась надежной, легкой, имела большую емкость и генерировала четыре вольта. Большим преимуществом литий-ионной батареи японского химика стало то, что она имела долгий срок службы и могла заряжаться несколько сотен раз. Также Йошино исключил из батареи металл литий  в чистом виде, что намного повысило ее безопасность.

В 1991 году крупная японская компания электроники начала продавать первые литий-ионовые батареи, и это стало началом революции в электронной отрасли. Мобильные телефоны уменьшились в размере, компьютеры стали переносными, появились MP3-плееры и планшеты.

Как следствие, ученые по всему миру стали искать в периодической таблице элементы, которые могли бы оказаться лучше лития, однако пока это никому не удалось. Тем не менее, литий-ионные батареи изменились и усовершенствовались – помимо прочего, Джон Гуденаф заменил оксид кобальта на фосфатжелеза, сделав батарейку более безопасной для окружающей среды.

Несомненно, производство литий-ионных  батарей оказывает влияние на экологию, однако оно несет в себе и очень большие преимущества. Батарея позволила разработать технологии чистой энергии и электрические автомобили, сократив количество выбросов в атмосферу парниковых газов и твердых частиц.

Своей работой Джон Гуденаф, Стенли Уиттигхем и Акира Йошино проложили путь к созданию беспроводного и бестопливного мира, кардинально изменившего нашу жизнь.

 «Мы получили доступ к технической революции, – заявила представитель нобелевской комиссии по химии Сара Сноджрап Линз (Sara Snogerup Linse), – лауреаты разработали легковесные батареи с потенциалом, достаточно высоким, чтобы использоваться в различных областях – по-настоящему портативной электронике: мобильных телефонах, кардиостимуляторах, а также электромобилях».

Денежный эквивалент премии лауреатов составил 9 миллионов крон ($ 918 000). Дипломы и золотые медали будут вручены в Стокгольме 10 декабря, в день годовщины смерти основателя премии Альфреда Нобеля.

Источник