Когда одной батареи enough

Нобелевскую премию по химии за 2019 год получат Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Есино. Они награждены «за развитие литий-ионных батарей (for the development of lithium-ion batteries)».

Эту премию давно ждали: всех троих не раз называли кандидатами на высшую химическую награду, поэтому два самых частых комментария специалистов, которые довелось читать в Сети, — «лучше поздно, чем никогда» и «слава Богу, Гуденаф дожил». Это неудивительно: Джон Гуденаф обновил рекорд самого возрастного нобелевского лауреата в истории — летом 2019 года ему исполнилось 97 лет.

И эта премия — одна из самых понятных для простого человека: тем, что сделали в 1970–1980-х годах лауреаты Нобелевской премии, пользуемся мы все — от телефонов до электромобилей, от фотоаппаратов до пауэрбанков.

Электрохимические источники тока известны человечеству очень давно. Так, например, свинцово-кислотные аккумуляторы, которые до сих пор стоят в обычных автомобилях, известны примерно с середины XIX века. Но только литий-ионные батареи с их достаточно высокой удельной емкостью и сравнительной дешевизной действительно изменили наш мир. Забавно, что премия за них пришла тогда, когда эти элементы почти уперлись в свой теоретический предел и человечество стоит на пороге новых революций в бытовой энергетике. Но пока именно литий-ионные аккумуляторы правят бал, давайте все же разберемся, кто и что из лауреатов сделал для своей премии.

Удивительно, но несмотря на преклонный возраст, первый шаг к литий-ионным аккумуляторам сделал не нобелевский патриарх. Начало было положено Стэнли Уиттингемом, работавшим тогда в Exxon Research and Engineering Company. В 1973 году он предложил первый аккумулятор на основе лития (а точнее, с соединением вида Li_xTiS₂). Почему именно литий? Тому было две причины. Во-первых, как мы помним, литий — это самый легкий металл, он не только легче воды, но и легче бензина. А во-вторых, у пары Li₊/Li оказался очень низкий потенциал восстановления. Собственно говоря, именно поэтому электрохимией лития занялся еще в 1913 году великий Гилберт Льюис, изобретатель термина «фотон» — но тогда дело не пошло.

Элемент Уиттингема состоял из металлического лития в качестве анода (отрицательный электрод) и TiS₂ в качестве катода с LiPF₆ в качестве электролита в пропиленкарбонате в качестве растворителя.

Работы Уиттингема привели к появлению первых коммерческих батарей Exxon емкостью в 45 Вт*ч. Посмотрите на свои современные пауэрбанки — сколько там? Эта статья написана в том числе благодаря аккумулятору почти в 1000 раз более емкому. Однако литий очень реакционноспособен, а при циклах заряда-разряда из катода прорастали дендриты лития, в итоге часто приводившие к короткому замыканию и возгоранию самого лития.

Первый настоящий прорыв состоялся в 1979–1980 году, когда Джон Гуденаф предложил элемент без литиевого анода, с аналогом Li_xTiS₂ на положительном электроде — только вместо дисульфида титана здесь уже был диоксид кобальта. Качество батарей заметно выросло.

Тем не менее металлический литий в батарее оставался. И последний прорыв сделал третий из нобелиатов этого года — Акира Есино, который в 1985 году сумел окончательно от него избавиться.

Когда он решил разработать функциональную аккумуляторную батарею, он использовал литий-кобальтовый оксид Гуденафа в качестве катода и попытался использовать различные материалы на основе углерода в качестве анода. Исследователи ранее показали, что ионы лития могут быть интеркалированы (то есть включены) в молекулярных слои графита, но графит разрушался электролитом батареи. Однако Есино вместо графита попытался использовать нефтяной кокс, побочный продукт нефтяной промышленности. Когда он заряжал его электронами, ионы лития втягивались в материал. Затем он включил батарею, и ионы лития потекли в сторону оксида кобальта в катоде, который имеет гораздо более высокий потенциал. Так в 1985 появился современный вариант батарей, которые за последние тридцать лет завоевали весь мир.

Сейчас в мире тысячи групп, которые работают в области литий-ионных батарей. Не меньшее количество ученых пытаются приблизить время нового поколения химических источников тока: топливных элементов. Но это будет уже другая история и, может быть, — другая Нобелевская премия.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.