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

AP сообщило о двух погибших в результате стрельбы в Брауновском университете
Темы дня

У России есть интеллектуальный ответ на бессрочную заморозку активов в ЕС

Евросовет ввел бессрочную заморозку российских суверенных активов, что позволяет Брюсселю не продлевать ее каждые полгода. Сама по себе бессрочная блокировка не является окончательной конфискацией, но механизм изъятия активов Европа намерена обсудить на предстоящем саммите. Впрочем, в ответ на подобное решение ЕС у России есть целый набор действенных мер, в том числе связанных с интеллектуальной собственностью.

Цены на газ загоняют руководство США в политическую ловушку

Крупная политическая ставка, которую в свое время сделал президент США Дональд Трамп, внезапно поставлена под сомнение – и все из-за резкого роста цен на энергоносители для американского бизнеса и населения. Почему это происходит и чем грозит в итоге не только Трампу, но и амбициозному американскому проекту искусственного интеллекта?

Захарова порекомендовала ЕС выйти из ООН

На Украине решили расформировать иностранные легионы

В Финляндии завели уголовное дело на Грету Тунберг

Новости

Юрист: За гирлянду на фасаде дома предусмотрен штраф до 15 тыс. рублей

Штраф от 5 до 15 тысяч рублей может грозить россиянам за размещение новогодней гирлянды на фасаде дома, окнах или подъездах, если они нарушат требования пожарной безопасности, рассказал член комиссии ОП РФ по общественной экспертизе законопроектов и иных нормативных актов Евгений Машаров.

Чешский премьер Бабиш: Прага не будет финансировать Киев

Чешская сторона не собирается брать на себя обязательства по финансированию киевского режима, сообщил чешский премьер-министр Андрей Бабиш.

Роснано подало иск к Чубайсу

Группа Роснано потребовала взыскать почти 12 млрд рублей убытков с экс-руководства, в том числе, Анатолия Чубайса, из-за неудавшегося проекта Crocus и потери инвестиций.

ВСУ попытались прорваться в Красноармейск на мотоциклах

Украинские штурмовики предприняли попытку прорыва на северную окраину города Красноармейск (укр. название Покровск), но не преуспели, сообщили в Минобороны.

ВС России поразили подразделения девяти бригад и полков ВСУ в Запорожской области

Российские группировки войск «Днепр» и «Восток» нанесли поражение подразделениям девяти бригад и полков Вооруженных сил Украины в Запорожской области, сообщил губернатор региона Евгений Балицкий.

Фицо: Запад побежит восстанавливать отношения с Россией после окончания СВО

Премьер Словакии Роберт Фицо выразил мнение, что западные государства поспешат наладить отношения с Россией сразу после окончания конфликта на Украине.

Умер петербургский художник Геннадий Устюгов

Известный представитель искусства Геннадий Устюгов ушел из жизни в возрасте 88 лет, оставив значительный след в российской культуре.

ВСУ отправили на штурм Купянска до четырех тыс. бывших заключенных

Руководство украинской армии направило на штурм города Купянск в Харьковской области до четырех тыс. бывших заключенных, причем они оснащены тяжелой техникой.

США решили снять санкции с белорусского калия

В соответствии с указаниями президента США Дональда Трампа снимаются санкции с белорусского калия, заявил спецпредставитель США по Белоруссии Джон Коул.

Лукашенко помиловал осужденных за шпионаж и экстремизм иностранцев

Белорусский президент Александр Лукашенко принял решение о помиловании 123 иностранцев на основании достигнутых договоренностей с президентом США Дональдом Трампом.

МИД пообещал скорый ответ на блокировку ЕС активов России

Распоряжение активами России без согласия страны, включая блокировку или попытки представить изъятие как репарации, нарушает международное право, ответные шаги Москвы на блокировку не заставят себя ждать, заявила официальный представитель МИД России Мария Захарова.

Экс-адвокат Обамы и Клинтона подал в суд на Трампа за перестройку Белого дома

Американская некоммерческая организация National Trust for Historic Preservation подала иск в федеральный суд, требуя приостановить строительство нового бального зала в Белом доме, инициированное президентом США Дональдом Трампом. Одним из адвокатов истцов выступает бывший юрист экс-президентов Барака Обамы и Билла Клинтона.
Мнения

Владимир Можегов: Почему Пушкин не стал декабристом

Мы говорим «декабристы», подразумеваем – «Пушкин». Конечно же, нет. Эту чушь придумали большевики. На самом деле, между декабризмом и Пушкиным – пропасть.

Геворг Мирзаян: США вынуждено играют в «Ключевую пятерку»

Хозяин Белого дома решил, что лучше не бороться с неизбежным, а попытаться организовать переформатирование мира по своим правилам, в рамках «Ключевой пятерки».

Антон Крылов: Как долго будет разлагаться Евросоюз

Оторванность европейских политиков от реального мира выглядит, конечно, упадочно и наводит на мысль о скором финале евросоюзного проекта, но не будем забывать, что советские СМИ десятилетиями писали о загнивающем Западе.
Вопрос дня

Почему заблокировали Roblox?

Суть игры, риски и угрозы для детей, позиция Роскомнадзора и мнение экспертов