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

Иран ввел лимит на проход судов через Ормузский пролив
Темы дня

Перемирие США и Ирана оказалось под угрозой срыва

Иран может отказаться от перемирия с США, если Израиль продолжит атаки на Ливан. В Тель-Авиве уверены, что на Ливан не распространяется прекращение огня. Власти США возникший спор объяснили «недопониманием» между сторонами. Сможет ли Иран добиться прекращения израильских ударов по Ливану?

Ключевой признак выдаст желание США воевать дальше

Несмотря на объявленное перемирие, с точки зрения военных потенциалов обстановка на Ближнем Востоке не изменилась. Политическое решение «больше не воевать» может быть пересмотрено Соединенными Штатами в любой момент. И есть один несомненный признак, который покажет, действительно ли США хотят мира с Ираном – или же они просто взяли паузу перед новым ударом.

Пашинян допустил продажу Казахстану российской концессии на железные дороги Армении

Американист: Лидеры Европы решили, что «пересидели» Трампа

Саровский ядерный центр раскрыл астрофизикам детальную картину Вселенной

Новости

Кулеба рассказал об эвакуации правительства Украины в феврале 2022 года

Бывший министр иностранных дел Украины Дмитрий Кулеба заявил, что в конце февраля 2022 года часть украинского правительства эвакуировали из Киева в Ивано-Франковск на западе страны.

Источник: Украина и Норвегия готовят теракты против судов России

Киевский режим при содействии военных специалистов ВМС Норвегии готовит теракты против российских судов в Баренцевом и Норвежском морях, сообщил военно-дипломатический источник.

Белый дом обвинил Клуни в «военных преступлениях» за критику президента США

Американский актер Джордж Клуни подвергся резкой критике от Белого дома после осуждения слов президента США о возможных действиях против Ирана, сообщила в среду британская газета The Independent.

МИД Ирана: Хаменеи здоров и управляет страной

Верховный лидер Ирана Моджтаба Хаменеи находится в добром здравии и продолжает осуществлять руководство страной, несмотря на отсутствие публичных появлений, заявил заместитель министра иностранных дел Ирана Саид Хатибзаде.

Агроном рассказал о шансе вырастить жарким летом на даче южные плоды

Жаркое лето дает дачникам средней полосы реальную возможность вырастить в открытом грунте арбузы и дыни на уровне южных регионов, если правильно выбрать гибриды, соблюсти сроки посева и обеспечить растениям подготовленную почву, сказал газете ВЗГЛЯД генеральный директор «Агрофирмы Партнер» Василий Блокин-Мечталин.

Трамп обвинил NYT и CNN в публикации фейкового плана по Ирану

Американский президент Дональд Трамп подверг критике публикации крупных СМИ, обвинив их в распространении ложного плана по переговорам с Ираном.

Умер заслуженный артист России Виктор Яковлев

Заслуженный артист России Виктор Яковлев скончался на 75-м году жизни, сообщила пресс-служба Псковского академического театра драмы имени А. С. Пушкина.

Глава «Роскосмоса» сообщил о планах просканировать Луну

Отечественная космическая программа предусматривает детальное сканирование лунной поверхности в 2028 году с использованием специально разрабатываемых для этого научных приборов.

Иран: Атаки Израиля на Ливан делают переговоры с США бессмысленными

Израильские атаки на Ливан могут указывать на то, что возможная мирная сделка между Ираном и США не будет соблюдаться, заявил президент Ирана Масуд Пезешкиан.

Российский боевой лазер «Посох» сбил дрон на расстоянии 1,5 км

Дальность работы лазерной системы противодействия беспилотникам LazerBuzz (проект «Посох») увеличена, и теперь комплекс способен поражать FPV-дроны на расстоянии 1,5 км, сообщили в компании-разработчике.

Германия увеличила финансирование экскурсий школьников в концлагеря

Правительство Германии совместно с частным фондом Bethe Foundation выделило 10 млн евро на финансирование школьных экскурсий в бывшие концлагеря, сообщили СМИ.

Беспилотники осложнили продвижение ВС России под Славянском

Наступательные действия ВС России на направлении Славянска продолжаются, однако продвижение осложнено за счет плотной обороны противника и массового применения беспилотников, сообщают СМИ.
Мнения

Тимур Шерзад: Как Кенигсберг делали Калининградом

9 апреля 1945 года пехотный генерал вермахта Отто Ляш сдал Кенигсберг советским войскам. Сильнейшая крепость Восточной Пруссии, которую не смогли взять армии Самсонова и Ренненкампфа, пала за несколько дней.

Вадим Трухачёв: Весь мир делает ставки на выборы в Венгрии

Предстоящие 12 апреля парламентские выборы в Венгрии стали поистине событием мирового масштаба. За ними следят не только в России и Евросоюзе, но и в США, и в Китае. И от того, останется у власти Виктор Орбан или ему на смену придет проевропейский Петер Мадьяр, действительно кое-что зависит.

Глеб Простаков: Джинна криптовалют заточили в лампе

Текущие подходы к регулированию крипторынка не позволяют говорить о том, что Россия «оседлала волну» или использует крипту как стратегическое преимущество – например, для массового обхода санкций или создания альтернативной системы международных расчетов.
Вопрос дня

Почему замедляют Telegram в России?