Вопрос дня

9 октября 2019, 20:11

За что дали Нобелевскую премию по химии в 2019 году?

Фото: J.R. Bale/YAY/ТАСС

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

Рябков пообещал США «дрожь и оторопь» от последствий конфликта на Украине
Темы дня

Кому выгоден слабый рубль

Доллар в среду вырос до более чем 110 рублей, евро – выше 115 рублей. Рубль так быстро начал слабеть, что заставил власти сделать первый шаг по поддержке курса. Центробанк отказался от покупки валюты. Однако предпринятых мер недостаточно, чтобы остановить падение рубля, считают эксперты. Что должны сделать власти, чтобы еще больше помочь рублю, и когда это произойдет?

Россия нащупала самые уязвимые точки украинской обороны

Из зоны СВО приходят противоречивые сообщения о ситуации в Купянске, а также о попытках ВС РФ создать плацдармы на правом берегу реки Оскол. Параллельно развиваются наступления российских войск на Кураховском, Покровском и Южно-Донецком направлениях. Что означает происходящее с точки зрения перспектив прорыва украинской обороны на широком участке фронта?

Лавров тремя русскими пословицами предостерег Запад

Захарова: Здание бывшего консульства в Познани не представляет интереса для России

Психолог дала родителям совет по решению детских конфликтов

Новости

Арбенина сорвалась с балкона на концерте в Петербурге

На концерте в Петербурге певица Диана Арбенина упала с балкона, но зрители помогли ей вернуться на сцену.

Трубопровод «Дружба» задействовался для поставок дизтоплива военным в зоне СВО

Для оперативного обеспечения группировки российских войск в зоне СВО в 2022 году использовались мощности трубопровода «Дружба», следует из материалов ПАО «Транснефть» о деятельности компании по поддержке специальной военной операции.

Стало известно о ядерной мощи «Орешника», равной «45 Хиросимам»

Новая российская баллистическая ракета «Орешник» способна доставлять ядерные заряды с мощностью, эквивалентной 45 атомным бомбам, примененным в Хиросиме, и развивать скорость до 10 махов, сообщил правительственный портал «Объясняем.рф».

Эксперт назвал причины согласия Киева на эксгумацию жертв Волынской резни

Анонсированное разрешение Киева на эксгумацию жертв Волынской резни свидетельствует о том, что офис Зеленского не очень уверен в своем политическом будущем и пытается найти сторонников в Польше, сказал газете ВЗГЛЯД полонист Станислав Стремидловский. Ранее МИД Польши сообщил, что Украина согласилась позволить польской стороне эксгумировать останки жертв Волынской резни после запрета 2017 года.

Трамп определился со спецпредставителем по конфликту на Украине

Победивший на выборах президента США Дональд Трамп подтвердил назначение генерала Кита Келлога специальным представителем по конфликту на Украине, подчеркнув его военную и деловую карьеру.

Рубль укрепился после заявления ЦБ о прекращении покупок валюты

Курс рубля на Московской бирже резко укрепился после заявления Центрального банка России о приостановке покупок иностранной валюты с 28 ноября до конца года.

Лавров обвинил Байдена в намерении забрать весь «общак» для поддержки Украины

Министр иностранных дел Сергей Лавров заявил, что администрация Байдена продемонстрировала «воровские инстинкты», намереваясь продолжать поддержку Украины в 2025 году, предоставляя все необходимые ресурсы.

В роддоме Ульяновска женщине вместо наркоза ввели кислоту

В Ульяновске врачи борются за жизнь 32-летней женщины, которой в местном роддоме по ошибке ввели транексамовую кислоту вместо анестезии, пишет КП.

В России начинается тестирование новых правил въезда мигрантов

В столичных аэропортах с началом зимы стартует эксперимент по новым правилам въезда иностранцев, уполномоченная организация Москвы проведет геномную регистрацию и выдачу электронных карт мигрантов, заявил зампред СБ России Дмитрий Медведев.

Названа возможная причина развода Бербок с мужем

Причиной развода главы МИД Германии Анналены Бербок с супругом Даниэлем Холефляйшем мог стать напряженный график работы дипломата, пишет обозреватель Андре Зайферт в статье для портала brisant.

Суд арестовал замгубернатора Ростовской области Кушнарева

Заместитель губернатора Ростовской области Виталий Кушнарев арестован по решению Кировского районного суда Ростова-на-Дону, сообщили в объединенной пресс-службе судов города.

Путин назвал срок первого космического старта с «Байтерека»

Россия рассчитывает на проведение первого космического пуска с комплекса «Байтерек» в 2025 году, сообщил президент РФ Владимир Путин.
Мнения

Тимофей Бордачёв: Россия тестирует новый тип политики на Востоке

Сейчас, когда очертания международного порядка в Европе определяются на полях сражений, стабильность на юго-восточном направлении требует от Москвы инициативы и терпения.

Сергей Худиев: Прощение создает противовес озлобленности

Певец Эдуард Шарлот (включен в перечень террористов и экстремистов) мало кому известен своей музыкой, зато приобрел известность благодаря грубым и хамским роликам, в которых среди прочего оскорблял патриарха Кирилла. Но церковь его простила. Почему?

Кирилл Кабанов: В школах Афганистана точно нет свинины

Отмена свинины в наших школьных столовых – это не мелочь, это первый шаг к уничтожению нашего мира. Новогодние елки в наших русских школах приезжие родители и их имамы уже пытались отменить.
Вопрос дня

«Русский индеец». Кто стал первым политбеженцем из США в Россию?