18 ноября 2019, понедельник, 11:37
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Люди, которые позволили нам отойти от розетки

Джон Гуденоф, Стэнли Уиттинхэм и Акира Ёсино
Джон Гуденоф, Стэнли Уиттинхэм и Акира Ёсино
Niklas Elmehed/Nobel Prize

Нобелевская премия 2019 года по химии присуждена за работы по развитию литий-ионных аккумуляторов, которые в наши дни массово используются в мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, фотоаппаратах, электромобилях и других устройствах. Лауреатами премии стали Джон Гуденаф (John B. Goodenough) из Техасского университета, Стенли Уиттингем (M. Stanley Whittingham) из Бингемтонского университета и Акира Йосино (Akira Yoshino) из корпорации «Асахи Касэй» и Университета Мейдзё.

Основной принцип работы литий-ионного аккумулятора состоит в том, что ионы лития движутся от катода к аноду (и обратно, когда аккумулятор перезаряжается). К 1970-м годам в мире техники существовало два типа аккумуляторов — свинцово-кислотные и никель-кадмиевые, но уже шел активный поиск альтернатив. Значительную заинтересованность в этом проявляли компании, специализирующиеся на нефти и топливе, поскольку, осознавая ограниченность запасов нефти, они стремились диверсифицировать свою деятельность и занять выгодные позиции на старте в гонке за новыми источниками энергии. Британец Стенли Уиттингем предложил первую конструкцию литий-ионного аккумулятора в 70-х годах, когда он работал в нефтяной компании Exxon. Ранее в Стенфордском университете Уиттингем специализировался в области материаловедения, в частности его интересовали изменения свойств материалов при интеркаляции – внедрении молекул, ионов или атомов вещества между молекулами другого вещества (обычно — внутрь его кристаллической структуры при сохранении ее целостности). В литий-ионном аккумуляторе по сути происходит интеркаляция ионов лития в кристаллическую решетку другого материала, а затем деинтеркаляция их при перезарядке.

Уиттингем изучил интеркаляцию ионов в дисульфиде тантала и пришел к выводу, что этот материал может стать более эффективным источником энергии, чем существующие аккумуляторы. Первые опыты он ставил с ионами калия и дисульфидом тантала, но из-за сложности массового производства танталовых электродов быстро пришел к выводу, что тантал следует заменить на титан как на более легкий металл. Калий же он поменял на литий, так как этот элемент легче отдает электроны. В результате в первом аккумуляторе Уиттингема в качестве катода выступал сульфид титана (IV), а в качестве анода — металлический литий.


 

Схема первого литий-ионного аккумулятора, предложенного Стенли Уиттингемом. Анод — металлический литий, катод — сульфид титана

Компания Exxon оценила перспективность новой батареи и санкционировала дальнейшую работу над ней. Но довольно быстро выявились и первые сложности. Сульфид титана был довольно дорог для массового производства. Проблема была и с анодом: при многократной перезарядке из пластины металлического лития начинали расти так называемые «усы» — нитевидные кристаллы. Когда они достигали катода, батарея замыкалась, что могло привести к взрыву. Пожарные потушили несколько возгораний в лаборатории и угрожали, что выставят крупный счет за спецсредства, необходимые для тушения лития.

 

Из литиевого анода растут «усы»

Чтобы сделать батарею безопасной, к металлическому литиевому электроду был добавлен алюминий, а также изменен электролит. Официально об открытии Уиттингема было  объявлено в 1976 году, и литий-ионный аккумулятор начали выпускать в небольшом количестве для производителя швейцарских часов, чтобы использовать в часах на солнечных батареях. Следующей задачей, как планировалось, было увеличить объём перезаряжаемой литиевой батареи, чтобы она могла питать автомобиль. Однако в начале 1980-х годов цены на нефть резко упали, и компания Exxon сократила разработки альтернативных источников энергии.

Если Стенли Уиттингем родился и учился в Великобритании, а работал в США, то выпускник Йельского и Чикагского университетов Джон Гуденаф в 1970-х годах переехал в Великобританию, где стал профессором неорганической химии в Оксфорде и занялся работой над аккумуляторами на основе лития. Гуденаф отказался от сульфида титана в качестве электрода и после некоторого времени поисков остановился на варианте кобальтата лития (LiCoO2), что позволило увеличить генерируемое напряжение вдвое по сравнению с батареей Уиттингема. Об открытии Гуденафа стало известно в 1980 году, и это был ключевой шаг к нынешнему расцвету литий-ионных аккумуляторов.

 

Вариант, предложенный Джоном Гуденафом

В то время как автомобилестроительные и нефтяные компании Запада в 1980-х годах не проявляли большого интереса к разработке принципиально новых электрических аккумуляторов, так как цены на нефть были достаточно низкими, производители электроники в Японии, напротив, нуждались в эффективных, удобных и желательно перезаряжаемых аккумуляторах для своих устройств. Поэтому японские ученые интенсивно работали в этом направлении. Одним из них был химик Акира Йосино (Akira Yoshino) из корпорации «Асахи Касэй».

Йосино решил найти оптимальный вариант анода для литий-кобальтовой батареи Джона Гуденафа. Сначала он экспериментировал с полиацетиленом, но наибольшего успеха добился, когда изготовил анод из нефтяного кокса — твердого остатка, получаемого при переработке нефти. При зарядке батареи ионы лития встраивались в углеродные слои кокса, при работе — покидали его и перетекали к катоду. Такой аккумулятор оказался стабильным, легким, имел большую емкость и длительный срок службы. Отказ от металлического лития сделал этот аккумулятор еще и безопасным.

 

Литий-ионный аккумулятор, который предложил Акира Йосино

Прототип своего аккумулятора Йосино изготовил в 1985 году, а в 1991 компания Sony стала массово производить литий-ионные аккумуляторы, что вызвало настоящий бум в производстве электронных устройств, позволив резко уменьшить их размеры.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.