В Стокгольме объявили обладателей Нобелевской премии за исследования в области химии. Лауреатами этого года стали трое ученых — Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингэм и Акира Ёсино.
В этом году размер Нобелевской премии составляет 9 млн шведских крон, или чуть меньше $1 млн.
Награда присуждена за разработку литий-ионных аккумуляторов. Джон Гуденаф (John Goodenough) и Стэнли Уиттингем (Stanley Whittingham) синтезировали материал для катода, а Акира Ёсино (kira Yoshino) сделал из него литий-ионные аккумуляторы.
В чем значение этого открытия, РИА Новости рассказала Татьяна Кулова, доктор химических наук, заведующая лабораторией процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии РАН.
Первый синтез и патенты
Обычная батарейка представляет собой ячейку, на концах которой два металлических электрода, а внутри — электролит. Химическая энергия в ней преобразуется в электрическую, достаточную, чтобы, например, включить фонарик.
Первые аккумуляторы делали из соединений свинца и никеля, соединяя в батареи по нескольку ячеек. В начале XX века ученые задумались о более емких и легких накопителях энергии. Начали исследовать литий — третий элемент в Периодической таблице, самый легкий из металлов, пригодный для тока высокой плотности.
Однако литий активно вступает в реакции, поэтому его нужно изолировать от воды и воздуха. Значит, водные растворы в качестве электролита не годились. Альтернативы в виде карбонатных растворов появились ближе к середине века, тогда же была создана теория ионной проводимости, где заряды переносят части молекул и заряженные атомы — ионы.
Если к батарейке приложить напряжение, из катода начнут выбиваться положительно заряженные ионы металла и встраиваться в материал анода. Чем больше ионов может удержать анод, тем лучше емкость устройства. Как только напряжение исчезает, ионы металла возвращаются в катод.
»Литий-ионный аккумулятор состоит из положительного электрода — катода, отрицательного электрода — анода и неводного электролита.
В такой системе отсутствует металлический литий, а процессы заряда и разряда внутри аккумулятора происходят за счет перемещения ионов лития между электродами.
В отличие от устройств с литиевым анодом, они более пожаро-взрывобезопасны. Неводный электролит позволил получить источник тока с напряжением выше 3,5 вольт и возможностью работы при низких температурах», — комментирует РИА Новости Татьяна Кулова.
Джон Гуденаф, работавший в то время в Оксфорде (Великобритания), и англичанин Стэнли Уиттингем, после Стэнфорда пришедший в американскую энергетическую компанию Exxon, специализировались на синтезе катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов.
Именно они первыми получили различные катодные материалы, в том числе самые известные — LiCoO2 и LiFePO4.
Японский химик Акира Ёсино занимался, в первую очередь, материалами для анода.
Он же собрал первый вариант литий-ионного аккумулятора на основе LiCoO2 и полиацетилена, замененного позже на графит.
В 1985 году Есино оформил патент на литий-ионный аккумулятор, а в 1991-м на рынке появились первые устройства.
Как улучшить аккумулятор
У литий-ионных аккумуляторов выше удельная энергия, зависящая от удельной емкости активных материалов, из которых изготовлены электроды. Проще говоря, они пропускают через себя больший ток. Но ученые пытаются сделать их еще более энергоемкими, безопасными и долговечными, даже в условиях повышенных нагрузок.
Один из вариантов — заменить литированный оксид кобальта на феррофосфат лития — LiFePO4.
«Это соединение первоначально синтезировал Гуденаф, но его электронная проводимость оказалась низка, и оно не продемонстрировало высокую электрохимическую активность при внедрении лития. Позже эту проблему решили, и сейчас выпускают аккумуляторы с катодами из LiFePO4. Они работают при высоких токовых нагрузках и более дешевые», — продолжает исследовательница.
Если катоды сделать из тройных литированных оксидов металлов (NMC), удельная энергоемкость аккумулятора еще увеличится. Заменить же графит анода довольно сложно.
Большие надежды возлагаются на аморфный кремний, поскольку он способен запасать на порядок больше лития, чем графит. Главная причина, по которой затруднено его использование в качестве анода — разрушение при многократных циклах заряд-разряд. При внедрении лития в нем возникают сильные внутренние напряжения. Альтернатива — композиты на основе кремния и углерода, которые стабильны при циклировании», — поясняет Кулова.
В возглавляемой ею лаборатории создают новые схемы для литий-ионных аккумуляторов, например, с феррофосфатом лития в качестве катода, тонкопленочным кремнием в качестве анода, тройным литированным оксидом металлов — кремний-углеродным композитом, тройным литированным оксидом металлов — титанатом лития. Ведется разработка натрий-ионных аккумуляторов.
«Они несколько проигрывают литий-ионным по энергетическим характеристикам, но могут выигрывать по стоимости. Кроме того, мы создаем накопители, которые работают при минус 55 градусах», — добавляет ученая.
Первые литий-ионные аккумуляторы использовались исключительно в портативных приборах. Они произвели революцию в сфере ноутбуков и мобильных телефонов, появились mp3-плееры, Bluetooth-устройства и множество других гаджетов. Сейчас круг их применения расширился, открылись перспективы перехода на возобновляемые источники энергии.
«Для каждого применения нужно создавать литий-ионные аккумуляторы с разными эксплуатационными характеристиками. Устройства на одной электрохимической системе эффективнее в батарее для мобильного телефона, а на другой — в электромобиле или стационарном накопителе энергии. Именно поэтому синтезируется так много новых катодных и анодных материалов», — заключает Татьяна Кулова.
