Вопрос дня

9 октября 2019, 20:11

За что дали Нобелевскую премию по химии в 2019 году?

За создание литий-ионных аккумуляторов, без которых сложно было бы себе представить современный мир – смартфонов, ноутбуков, электромобилей, умных часов в их нынешнем бы виде попросту не существовало.

Лауреаты – британец Стэнли Уиттингэм из Университета Нью-Йорка, американец Джон Гуденаф из Техасского университета в Остине и японец Акира Ёсино из Университета Мейдзе в Нагое – представляют собой три стадии создания литий-ионных батарей. Первооткрывателем был Уиттингэм, Гуденаф развил его идеи, а Ёсино создал примерно такой вариант аккумулятора, который мы знаем сейчас. Их историю можно рассказать кратко, а можно углубиться в детали. 

Но сначала небольшое отступление. Что такое литий-ионный аккумулятор? Это устройство, в котором основной заряд несут ионы лития. Когда батарея заряжена, они находятся в катоде. Когда они его покидают – батарея разряжается. Так в итоге они и движутся – от катода к аноду.

Главный вопрос, который и решали будущие нобелевские лауреаты – какое вещество должно быть катодом, а какое – анодом,

чтобы батарея могла долго функционировать с приличным напряжением, не взрываться и быть при этом не слишком дорогой. 

Начнем с краткой истории.

Идея аккумулятора нового вида родилась из нефтяного кризиса 70-х. Топливно-энергетическая компания Exxon, опасавшаяся скорого дефицита нефти, решила вложиться в исследования альтернативной энергетики.  Одним из тех, кого компания наняла, был Уиттингэм. Он первым придумал использовать в аккумуляторах литиевый анод (-). Только вот катод (+) у его экспериментального аккумулятора был сульфитный (а точнее – сульфид титана), что было большим недостатком и из-за цены (титан всегда был дорогим) и безопасности (очень взрывоопасный). Так что неудач при экспериментах было много. И проект закрыли. 

Через несколько лет, в конце 70-х, идеи Уиттингэма обрели новую жизнь благодаря группе ученых во главе с Гуденафом. Их заслуга в том, что они решили сменить сульфитный катод на оксидный – это был оксид литий-кобальта. Кобальт подходил по уровню безопасности и к тому же имел вдвое больший потенциал по напряжению. 

Это было еще не все. На аноде по-прежнему использовался металлический литий, предложенный еще Уиттингэмом, и поэтому при зарядке ионы лития ложились на катод неравномерно, что могло повлечь за собой короткое замыкание. 

Ёсино стал тем, кто решил эту проблему. Он работал на японского химического гиганта Asahi Kasei и пытался создать небольшой, но производительный и безопасный аккумулятор для Sony. В 1985 году ему пришло в голову заменить анод из металлического лития на нефтяной кокс, и это сработало – зарядка стала стабильной, да и взрывов не последовало. В 1991 году Sony впервые выпустила устройство на литий-ионном аккумуляторе – это была пленочная видеокамера CCD-TR1.

А теперь длинная история.

На самом деле, такой тип батарей действительно совершил революцию в современном мире, и неспроста ее называют «литий-ионным чудом». Бум гаджетов был бы невозможен без нового вида аккумуляторов. Никаких умных часов, электромобилей, видео– и фотокамер, смартфонов толщиной меньше сантиметра бы не было – батареи становились все меньше без потери энергоёмкости, а с ними менялись и размеры устройств.

Предшественниками литий-ионных батарей были (их, кстати, производят и сейчас) никель-кадмиевые и никель-металлогидридные, изобретенные еще в конце XIX века. Промышленное производство началось в 1940-е годы, так что к началу коммерческой жизни Li-Ion им исполнилось уже 50 лет – они немного устарели. 

Стэнли Уиттингэм, химик из Стэнфорда, понимал это уже в 70-е. И взялся за разработку нового типа батарей. Ему удалось создать стабильно работавшие образцы – они были из сульфида титана и металлического лития (о своем открытии он объявил в 1976 году). В результате его батареи даже применила одна из швейцарских компаний в моделях своих часов. Затем идеи британца заинтересовали Exxon: компания боялась дефицита нефти и решила вложиться в новое поколение аккумуляторов – для создания электромобилей. Но в начале 1980-х цены на нефть рухнули, и компании пришлось серьезно сокращать расходы. Разработки Уиттингэма заморозили.

Однако работа над литиевыми батареями в тот момент продолжалась за океаном. Гуденаф, работавший профессором неорганической химии в Оксфорде, собрал группу ученых для поиска замены уиттингемскому сульфиду в качестве катода. Аккумулятор британца давал напряжение в два вольта, а Гуденаф понимал, что могут быть и более перспективные соединения. Оптимальный вариант предложил Коичи Мидзусима, приглашенный оксфордцами из Токийского университета – его идеей было использовать оксид литий-кобальта. Результат оказался более чем впечатляющим: напряжение было вдвое большим – четыре вольта. Это открывало широчайшие возможности для использования. Да и к тому же значило, что одна литий-ионная батарейка способна будет заменить две никель-кадмиевых без ущерба для производительности и срока службы.

Далее на самом деле был еще один этап, не менее важный. Проблему металлического лития в качестве анода решить все еще не удавалось – прорыв наступил в 1980-м, когда марокканский химик Рашид Язами предложил использовать графит. Но существовавшие в те годы электролиты, то есть проводники заряда, быстро уничтожали слои графита, и на некоторое время внедрение таких батарей было отложено. Позже Язами предложил более надежные варианты – например, с твердым электролитом, и дело пошло. Сейчас подавляющее большинство аккумуляторов в портативных устройствах работают именно по схеме «оксид литий-кобальта + графит». Марокканца считают одним из отцов литиевых батарей, но нобелевским лауреатом он так и не стал – и теперь уже вряд ли станет. Как и Мидзусима, автор идеи об оксиде литий-кобальта.

Заслуга Ёсино состоит в том, что он первым понял, как поставить производство таких аккумуляторов на поток. Возможно, его «коксовый» вариант был не самым лучшим, но зато на тот момент ему не было равных по безопасности, что оценили промышленные гиганты вроде Sony.    

Нынешние литиевые аккумуляторы нельзя даже сравнивать с предшественниками – они превосходят их по всем параметрам. Они меньше в размерах, более энергоемкие, быстрее заряжаются, дольше живут. Но и минусы тоже есть – кобальт для оксида довольно дорог. Пару лет назад даже возникла небольшая паника на фоне слухов о его грядущем дефиците (добывают его в основном в Африке), поскольку цены на гаджеты могли сильно прыгнуть вверх. Но пока этого не произошло. Так что если ученым удастся найти кобальту более дешевую замену – это обрадует практически каждого жителя планеты. Кроме того, такие батареи, ввиду их сложной структуры, требуют хорошего контроллера заряда. Без него они легко перегреваются и, как следствие, могут взорваться. Так что вопрос безопасности тоже решен не до конца – вспомните только Samsung Galaxy Note 7, батареи которых взрывались то ли из-за неисправного, то ли из-за отсутствовавшего контроллера. 

Текст: Алексей Яковлев

Вам может быть интересно

Судно Морспасфлота задействовали для эвакуации людей со Шпицбергена
Темы дня

ГУР и СБУ доказали русскость Киева

Русский язык на Украине продолжает использоваться не только в быту, но и в самых разных сферах общественной жизни. На нем общаются в домовых и школьных чатах, говорят в театрах, а сотрудники спецслужб переговариваются на русском даже во время перестрелки в Киеве. В защиту русской речи громко выступила и известная украинская певица Настя Каменских. Почему, несмотря на многолетнюю политику украинизации, русский язык продолжает сохранять позиции на Украине – и особенно в Киеве?

Россия предлагает Китаю новую силу

Еще не построенный газопровод в Китай «Сила Сибири – 2» меняет название. Президент Владимир Путин дал ему имя «Сила Байкала», заявил министр энергетики Сергей Цивилев. Более того, он заявил о готовности переходить к строительству газопровода. Что означает смена названия и что же Россия собирается строить без коммерческого контракта с Китаем?

В «Волчанский котел» попали две тысячи солдат ВСУ

Депутат: Без российской базы в Гюмри Армению «сожрут»

Еврокомиссия зафиксировала резкий рост выдачи шенгенских виз россиянам

Новости

Путин обвинил Запад в соучастии в международном терроризме

Президент России Владимир Путин назвал западных союзников Украины соучастниками международного терроризма из-за их молчания в ответ на агрессивные действия Киева.

В Энгельсе совершено покушение на военного

В Саратовской области возбуждено уголовное дело после вооруженного нападения на военнослужащего, пострадавший находится в больнице, сообщили в региональном СУ СК.

Путин назвал слухи о мобилизации в России информационной атакой

Президент России Владимир Путин назвал слухи о якобы возможной мобилизации в стране информационной атакой противника накануне выборов в Государственную думу.

Глава МИД Германии пожаловался на закрытие института Гете в России

Министр иностранных дел ФРГ Йоханн Вадефуль выразил сожаление из-за ответного решения России закрыть отделения института Гете после прекращения работы Русского дома в Берлине.

Авиаэксперт: Угрозы Зеленского не напугали зарубежные авиакомпании

Международная организация гражданской авиации отделалась общими словами и запустила долгий пересмотр документов, чтобы уйти от прямой оценки незаконных заявлений Украины, но на деле вновь возложила ответственность за безопасность полетов на Россию, тогда как ни одна зарубежная авиакомпания на угрозы Зеленского так и не отреагировала, сказал газете ВЗГЛЯД главный редактор портала «Авиа.ру» Роман Гусаров, комментируя реакцию ИКАО на киевские угрозы гражданской авиации.

Трутнев сообщил об участии 17 делегаций из недружественных стран в ВЭФ

На Восточный экономический форум во Владивостоке прибыли делегации из почти двух десятков государств, которые ранее были включены в список недружественных, сообщил вице-премьер и полномочный представитель президента в Дальневосточном федеральном округе Юрий Трутнев.

Путин назвал два метода борьбы с дефицитом топлива в России

Президент России Владимир Путин заявил на Восточном экономическом форуме, что преодолеть дефицит топлива помогут развитие систем ПВО и масштабные ответные удары по противнику.

Российские войска за сутки освободили четыре населенных пункта

Российские войска за прошедшие сутки установили контроль над Василевкой, Благодартным и Должанкой в Харьковской области, а также освободили Ижевку в ДНР.

Совбез России согласовал стратегию развития Арктики до 2050 года

Совет безопасности России утвердил новую долгосрочную стратегию развития Арктической зоны до 2050 года, а также обсудил перспективы Трансарктического транспортного коридора, сообщил министр по развитию Дальнего Востока и Арктики Алексей Чекунков.

Захарова высмеяла переезд центра Чубайса в израильский салон красоты

Официальный представитель МИД Мария Захарова иронично отреагировала на информацию о размещении исследовательского проекта Анатолия Чубайса в хозяйственном помещении под Тель-Авивом.

Европе предрекли суровую зиму из-за дефицита газа

Европа столкнется со сложной зимой из-за стремительного роста цен на энергоносители и слабой готовности к скачку спроса, пишет Bloomberg.

Минпромторг сообщил о росте продаж новых легковых автомобилей в России

За восемь месяцев текущего года реализация легковых машин в стране увеличилась более чем на 10%, достигнув отметки в 846 тыс. единиц, сообщил Минпромторг.
Мнения

Сергей Миркин: Почему Кожедуб на Украине «свой», а Ковпак – чужой

Хорошо, что дважды Герой Советского Союза Сидор Ковпак не будет лежать рядом с теми, с кем он воевал. Он бы трижды перевернулся в гробу, если б узнал, что его родная Украина теперь – нацистское государство, в котором героями стали коллаборанты и предатели. А прах Кожедуба не может оказаться в Киеве в принципе.

Василий Авченко: Как в японском языке появилось слово «капитуляция»

3 сентября 1945 года поставило точку в военном противостоянии России и Японии. Для Советского Союза маньчжурская операция завершилась победой на всех фронтах – военном, моральном, геополитическом. Это была молниеносная война – но не локальная и вовсе не легкая.

Сергей Худиев: Почему в России полюбили греческого святого Спиридона

Множество русских людей, которые пришли почтить греческого святого – важное свидетельство единства Церкви, того, что мы прежде всего православные христиане, а потом уже греки, русские или люди каких-то еще языков и племен.
Вопрос дня

Как были обретены мощи святого князя Дмитрия Донского