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

Митинг в Тбилиси против законопроекта об иноагентах завершился
Темы дня

Зачем Украина признала себя диктатурой

Миф о демократии на Украине можно считать окончательно разоблаченным. И соответствующее признание де-факто сделал сам киевский режим, предъявив Европе соответствующее заявление о системных нарушениях прав человека в стране. Что означает это признание и зачем оно нужно Киеву?

В США испугались сокращения объемов российской нефти на рынке

США временно разрешили проводить операции с российскими банками, в том числе Сбербанком и ВТБ. Транзакции возможны только в области энергетики и согласованы до 1 ноября этого года. Почему Вашингтон принял такое решение и как оно отразится на рынке?

Военный эксперт объяснил неразорвавшиеся суббоеприпасы от ракет ATACMS в Крыму

Бывший американский разведчик рассказал о страхе США перед Россией

Отступление ВСУ из Очеретино вызвало бурную реакцию на Украине

Новости

Столтенберг призвал изменить механизмы помощи Украине из-за неудач

Североатлантическому альянсу необходимо изменить механизмы оказания помощи Киеву из-за допущенных ранее провалов, заявил генеральный секретарь организации Йенс Столтенберг.

Белый дом отказался признавать уничтожение шести ракет ATACMS российской ПВО

Координатор по стратегическим коммуникациям в Совете национальной безопасности Белого дома Джон Кирби не стал комментировать информацию о том, что шесть американских ракет ATACMS были сбиты средствами противовоздушной обороны (ПВО) России.

Основатель крупнейшей криптобиржи Binance осужден в США

Основатель крупнейшей криптобиржи Binance Чжао Чанпэн приговорен федеральным судом Сиэтла к четырем месяцам тюрьмы, сообщили СМИ.

BI: Ошибка ВСУ помогла России продвинуться у Очеретино

ВСУ допустили ошибку, которая позволила российским войскам провести успешное наступление у Очеретино, пишет Business Insider (BI).

Американист: США ищут способы обхода собственных антироссийских санкций

Рост цен на бензин внутри США негативно сказывается на перспективах Байдена в рамках предстоящих выборов. Поэтому Вашингтон ищет способы обхода собственных санкций для стабилизации ситуации в стране, сказал газете ВЗГЛЯД американист Малек Дудаков. Ранее минфин США временно разрешил производить расчеты с российскими банками по энергетике.

Ученый сказал, что уничтожает инопланетные цивилизации во всех галактиках

Инопланетные цивилизации могли погибнуть из-за гамма-всплесков, предположил профессор физики и астрономии Университета Стоуни-Брук Фредерик Уолтер.

Арестованы пятеро подозреваемых в поджоге вертолета в Москве

В столице под стражу помещены пятеро подозреваемых в поджоге вертолета в аэропорту Остафьево, сообщили в пресс-службе судов общей юрисдикции города.

Европу предупредили о риске новой зависимости от России

Европа неосознанно становится зависимой от российских удобрений, как это уже происходило с газом, заявил исполнительный директор норвежской химической компании Yara International Торе Хольсетхер.

AstraZeneca признала образование тромбов у пациентов из-за вакцины от COVID

Британско-шведская фармкомпания AstraZeneca признала, что ее вакцина против коронавируса может вызывать тромбоз, пишет Telegraph со ссылкой на документы из коллективного судебного иска.

Пленный ВСУ рассказал об обмане командования в Очеретино

Командование Вооруженных сил Украины (ВСУ) обманом отправило непригодных к военной службе в Очеретино, заявил украинский военнопленный Александр Ведерников.

Трампа оштрафовали за комментарии по делу о выплатах порнозвезде

Суд Нью-Йорка выписал штраф бывшему президенту США Дональду Трампу за комментарии по делу о выплатах порноактрисе Сторми Дэниэлс, сообщил телеканал CNN.

Армения признала проблемы в отношениях с Россией

В отношениях Еревана и Москвы есть некоторые проблемы, стороны работают над их решением, заявил армянский министр иностранных дел Арарат Мирзоян.
Мнения

Владимир Можегов: Как джаз взломал культурный код белой Америки

Когда говорят, что джаз – музыка народная, это не совсем правда, или даже – совсем не правда. Никаких подлинных африканских корней у этой музыки нет. Но как же такая музыка смогла не только выжить, но и завоевать мир? А вот это очень интересная история.

Тимур Шерзад: Выборгская резня навсегда останется позором Финляндии

29 апреля 1918 года финские белые войска взяли Выборг, один из главных центров красных финнов. И тут же принялись вымещать свою ненависть к коммунистам. Но большинством жертв кровавой расправы стало обычное русское население города.

Андрей Новиков-Ланской: Русская идея Иммануила Канта

Самая устойчивая кантианская цитата – его сентенция о звездном небе над нами и нравственном законе внутри нас. В этой метафоре сконцентрированы главные русские интуиции: чувство бесконечного пространства и нравственное чувство, поиск высшей справедливости.
Вопрос дня

Что известно о новом главкоме ВСУ Александре Сырском?