Создатели литий-ионных аккумуляторов получили Нобелевскую премию по химии

Москва, 19:54, 09 Окт 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена Стэнли Уиттингему, Джону Гуденоу и Акире Йошино за разработку литий-ионной батареи. Но что такое литий-ионный аккумулятор и где он используется?

Трое ученых за свою карьеру разработали аккумулятор, который сейчас является наиболее предпочтительным среди всех перезаряжаемых устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и электромобили. Эти батареи легкие и мощные, и, кроме того, что они компактны по размеру, они могут хранить значительное количество солнечной и ветровой энергии.

Что сделал каждый ученый?

Стэнли Уиттингем

Основа литий-ионных батарей была заложена еще в 1970-х годах во время нефтяного кризиса. Стэнли Уиттингем, англо-американский ученый, работал над разработкой методов, позволяющих создавать технологии без использования ископаемого топлива. Он начал исследовать сверхпроводники и обнаружил высокоэнергетический материал, который он использовал для создания инновационного катода в литиевой батарее. Этот катод был сделан из дисульфида титана, который на молекулярном уровне имеет пространства, которые могут содержать — интеркалированные — ионы лития. Анод батареи был сделан частично из металлического лития. Это привело к батарее, которая имела потенциал более 2 вольт. Но металлический литий является реактивным, и батарея была слишком взрывоопасной для использования.

Джон Гуденоу

Примерно в это же время американский ученый Джон Гуденоу предсказал, что катод будет иметь больший потенциал, если он будет создан с использованием оксида металла вместо сульфида металла. В 1980 году, после систематического поиска, Гуденоу продемонстрировал, что оксид кобальта с интеркалированными ионами лития может производить до 4 вольт. Это стало ключевым прорывом в области батарей и привело к созданию очень мощных батарей.

Акира Йошино

Используя катод Гуденоу в качестве основы, японский химик Акира Йошино создал в 1985 году первую коммерчески жизнеспособную литий-ионную батарею. Вместо химически активного лития в аноде он использовал нефтяной кокс, углеродный материал, который может интеркалировать ионы лития, как и катодный оксид кобальта. В результате была создана легкая, износостойкая батарея, которая могла заряжаться сотни раз, прежде чем ее производительность ухудшалась. Преимущество литий-ионных батарей состоит в том, что они не основаны на химических реакциях, которые разрушают электроды. Вместо этого они основаны на ионах лития, которые текут взад и вперед между анодом и катодом батареи.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

В наши дни в литий-ионной батарее есть четыре ключевых компонента: катод с литием на положительном электроде, анод с графитом на отрицательном электроде, электролит, который действует как катализатор и электронный барьер, и внешняя цепь по которой электроны движутся. При использовании ионы внутри батареи перемещаются от анода к катоду, заставляя электроны делать то же самое, в этом процессе питание подается на смартфон. Когда телефон заряжается, ионы и электроны движутся в обратном потоке, от литиевого катода к графитовому аноду, где хранится заряд.

Где используется литий-ионный аккумулятор?

С тех пор как в 1991 году на рынке появились литий-ионные батареи, они произвели революцию в использовании портативных устройств. Сегодня литий-ионные аккумуляторы используются практически во всех типах гаджетов, таких как смартфоны, ноутбуки, электромобили, камеры, умные часы и многое другое.