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

Минобороны назвало пораженные цели в Киеве и Одесской области
Темы дня

Россия обеспечит себя и мир металлами будущего

Россия готова поставить еще один экономический рекорд - на этот раз в металлургии. Россия производит металлы, которые нужны всему миру и прямо сейчас. Чтобы обеспечить растущий спрос, «Норникель» готовится в этом году добыть рекордный объем руды. Почему весь мир охотится за российскими металлами, и как выиграет от этого российский бюджет?

Европа преувеличила надежность своего тыла

Евросоюз запускает производство беспилотников для Украины на своей территории, выделяя на проект сотни миллионов евро и привлекая ведущие оборонные компании. Эксперты считают, что это означает новый этап вовлеченности ЕС в конфликт с Россией. Какими инструментами Москва может воздействовать на Европу, не доводя ситуацию до прямого столкновения со странами НАТО?

МИД: Убийство главного инженера ЗАЭС стало шагом к ядерной катастрофе

Минобороны: Ракет и «Гераней» хватит на всех

«Не врать». Как Россия преодолеет трудности с топливом

Новости

Персонал харьковской ПВО перевели в штурмовую пехоту

В штурмовые подразделения 72-й механизированной бригады ВСУ переводят ракетчиков из 302-й бригады, отвечающей за противовоздушную оборону Харькова, сообщили в российских силовых структурах.

НПЦ «Сварог» испытал лазерный комплекс «Перун» против беспилотников

Новейший лазерный комплекс противодействия любым типам беспилотников «Перун», обеспечивающий до 15 минут непрерывного излучения, проходит испытания в России, сообщил официальный представитель научно-производственного центра (НПЦ) «Сварог».

Зеленский предложил кандидатуру нового премьера Украины

Глава киевского режиме Владимир Зеленский внес в Раду представление о назначении Сергея Корецкого премьером Украины, сообщил спикер украинского парламента Руслан Стефанчук.

США атаковали нефтяной танкер в Персидском заливе

Авиация США нанесла удар по пустому нефтяному танкеру Belma, который следовал по Персидскому заливу, якобы пыталось прорвать морскую блокаду и добраться до иранского порта.

Энгельс атаковали украинские беспилотники

В ночь на четверг силы ПВО отражали атаку дронов над Саратовской областью, сообщил в Max-канале губернатор региона Роман Бусаргин.

Побывавший на Луне флаг СССР продали на аукционе в США

На нью-йоркском аукционе ушел с молотка миниатюрный советский флаг с автографом астронавта Базза Олдрина, побывавший на поверхности Луны летом 1969 года, сообщили в аукционном доме Sotheby’s.

Греция выступила против новых санкций ЕС против российского СПГ

Ограничения Евросоюза на перевозку сжиженного природного газа (СПГ) оказались под угрозой срыва, так как и могут уничтожить греческую судоходную компанию Dynagas, пишет FT.

Роспотребнадзор предупредил дачников о риске заражения туляремией

В летний период владельцы загородных участков рискуют столкнуться с опасной природной инфекцией, передающейся через укусы насекомых и контакты с грызунами, предупредили в Роспотребнадзоре.

Девочка с бабушкой погибли при обстреле ВСУ брянского поселка

Девочка и ее бабушка погибли в результате ударов ВСУ по поселку Суземка в Брянской области, еще одна жительница ранена, ей оказали помощь, сообщил врио губернатора Егор Ковальчук.

Сборная Аргентины одержала волевую победу над англичанами

Действующие чемпионы мира – команда Аргентины одержала волевую победу во втором полуфинале чемпионата мира по футболу благодаря двум результативным передачам Лионеля Месси, который установил новый возрастной рекорд турнира.

Кличко сообщил о мощных пожарах на складах в Киеве

Пожар произошел на складах после взрывов в Киеве, сообщил мэр украинской столицы Виталий Кличко.

ВС России поразили заводы дронов в Киеве и порты в Одесской области

Российские военные ночью нанесли массированный комбинированный удар по военным объектам в Киеве и портовой инфраструктуре Одесской области, сообщили в Минобороны.
Мнения

Сергей Миркин: Попытки Зеленского укрепить свою власть приведут к политической войне

Отставкой правительства Зеленский пытается решить несколько задач. Главная из них – отставка Михаила Федорова с поста министра обороны. О том, что между Зеленским и его бывшим фаворитом существует скрытый конфликт, украинские СМИ пишут с апреля.

Игорь Караулов: Зачем жить в малых городах

Рано или поздно малый город в России будет восприниматься не как промежуточная остановка на жизненном пути к мегаполису и не как объект для досужего взгляда со стороны, а как естественная, наиболее удобная для человека форма организации среды обитания, где всё рядом, все друг друга знают и всё соразмерно человеку.

Сергей Лебедев: Нетаньяху пытается создать в Иране «управляемый хаос»

Израильское правительство рассматривает управляемый хаос в регионе как оптимальную стратегию своего политического выживания. Интересы населения еврейского государства и всех остальных учитываются по остаточному принципу.
Вопрос дня

Что за ветеран сидел рядом с Путиным на параде Победы