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

Путин поздравил россиян с Днем пограничника
Темы дня

Разворот в ЕС лишит Армению газа

Москва предупредила Ереван о денонсации соглашения о льготных поставках газа, нефтепродуктов и алмазов, если тот продолжит реализацию курса на вступление в ЕС. В этом случае, считают эксперты, экономику Армении ждут существенные потрясения из-за роста цен на энергоносители – высокая инфляция, падение уровня жизни населения, потеря конкурентоспособности армянских товаров в мире. А заменить российский газ Еревану будет крайне затруднительно даже по рыночным ценам.

Немцев нацистскими лозунгами готовят к конфликту с Россией

Германия повышает уровень эскалации в отношении России. Под предлогом защиты от «русской угрозы» Берлин уже выстраивает «самую сильную армию в Европе». А теперь к этому добавились призывы к расчленению России по национальному признаку и объявлению «русского мира» террористической идеологией. Эксперты расценивают подобные заявления как проявление реваншизма: по их мнению, риторика нынешних немецких политиков в отношении России все больше напоминает пропаганду времен нацистской Германии.

В Казахстане подтвердили начало строительства АЭС Росатомом в 2027 году

Вагенкнехт призвала Мерца спасти Германию и уйти в отставку

Минтранс предложил ввести постоплату автомобильных парковок

Новости

Фальков: ИИ приведет к отмене дипломных работ

Развитие технологий искусственного интеллекта приведет к полному исчезновению традиционного формата написания выпускных квалификационных работ в российских вузах, заявил министр науки и высшего образования России Валерий Фальков.

Российские космонавты впервые в этом году вышли в открытый космос

Космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев приступили к внекорабельной деятельности на российском сегменте МКС.

Зеленский пожаловался Трампу на критическую нехватку систем ПВО

Украинский лидер Владимир Зеленский направил письмо президенту США Дональду Трампу, в котором описал ситуацию с обеспечением противовоздушной обороны на Украине.

Литва начала подготовку к возобновлению всеобщего призыва в армию

Власти Литвы ведут активную подготовку к введению всеобщей воинской повинности на фоне новых угроз и изменения геополитической ситуации, заявил министр национальной обороны страны Робертас Каунас.

Песков заявил о намерении Европы задушить армянские товары

Европейский рынок окажется беспощадным к сельскохозяйственной продукции и драгоценным камням из Армении из-за мощного лобби местных компаний, заявил пресс-секретарь президента России Дмитрий Песков.

Росздравнадзор решил законодательно отменить бумажные рецепты на лекарства

Российский Минздрав готовит законопроект, который переведет отпуск всех рецептурных лекарств в аптеках на электронные рецепты, усилив контроль за их оборотом, сообщила глава Росздравнадзора Алла Самойлова, выступая в Совете Федерации.

Премьер Болгарии призвал Европу изменить подход к украинскому конфликту

Глава правительства Болгарии Румен Радев выступил за пересмотр европейской политики в отношении украинского конфликта, указав на риски противостояния с крупнейшей ядерной державой.

ФСБ: Эстония пытается отойти от договоренностей по границе на Чудском озере

Эстония пытается пересмотреть действующие договоренности с Россией о разграничении пограничных водоемов, что создает риски конфликтных ситуаций и негативно влияет на безопасность судоходства на Чудском озере и реке Нарва, сообщили в ФСБ.

Дроны ВСУ атаковали здание гимназии и автомобили в ЛНР

В результате ударов дронов по Сватовскому муниципальному округу и Северодонецку в ЛНР повреждены образовательное учреждение и автомобили, есть жертвы среди мирного населения, сообщил глава региона Леонид Пасечник.

Россия и Афганистан договорились о военно-техническом сотрудничестве

Представители России и Афганистана на полях Международного форума по безопасности заключили официальное соглашение о развитии военно-технического взаимодействия двух стран.

В США набирает популярность переработка умерших в компост для растений

В США набирает популярность экологичная альтернатива традиционным похоронам, позволяющая всего за месяц превратить останки человека в питательный грунт для растений.

Норвегия анонсировала размещение в стране ядерного оружия из Франции

Осло планирует подписать с Парижем новое оборонное соглашение, которое обеспечит скандинавскому государству надежную защиту под французским «ядерным зонтиком», заявили власти Норвегии.
Мнения

Глеб Простаков: Почему россияне заигрались в девяностые

Мир сильно ускорился и стал менее понятным обывателю. В новостной ленте столько событий, что девяностые позавидовали бы такому темпу. Но тогда мир был устроен проще, а происходящие события, включая криминальные разборки, МММ и корпоративные войны, напрямую отражались на нашем быте, карьере, заработках.

Тимофей Бордачёв: Связи России с соседями ждут приливы и отливы

Отношения России с ее соседями – это волнообразный процесс. За откатами, которые мы видим сейчас, в будущем последует их возвращение в более выгодное для нас русло. Нужно думать вдолгую и не воспринимать трагически каждый «прилив» и «отлив» в наших отношениях.

Ирина Алкснис: Выгодно ли быть одиноким

Одинокая жизнь, лишенная обязательств перед другими людьми и наполненная комфортом, приятна – не поспоришь. Вопрос один: каким будет итог такой жизни? Как утверждают адепты, они накапливают впечатления и опыт. Но если перевести на язык экономики, в сухом остатке не будет ничего. Ноль.
Вопрос дня

Что за ветеран сидел рядом с Путиным на параде Победы