История создания литий-ионных батарей: чем трое ученых заслужили Нобелевскую премию по химии
- 8-12-2019, 17:55
- Просмотров: 443
- Комментариев: 0
- Статьи
В этом году лауреатами Нобелевской премии по химии стали Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Ёсино, которые изобрели литий-ионные аккумуляторы. Вклад ученых действительно весомый, ведь именно этот тип АКБ считают самым популярным в мире и используют при создании гаджетов, электрокаров и многих других приборов.
Еще в 1970-х годах британец Стэнли Уиттингем, который работал в топливно-энергетической компании Exxon, при создании литиевой батареи использовал анод из сульфида титана и литиевый катод. Первый литиевый аккумулятор, который можно было перезаряжать, демонстрировал сносные показатели по току и напряжению, только периодически взрывался и травил окружающих газом: дисульфид титана при контакте с воздухом выделял сероводород, дышать которым как минимум неприятно, как максимум – опасно.
Кроме этого, титан во все времена был очень дорогим, а в 1970 года цена дисульфида титана составляла около 1000 долларов за килограмм (эквивалент 5 тысячи долларов в наше время). Не говоря уже о том, что металлический литий на воздухе горит. Поэтому компания Exxon свернула проект Уиттингема от греха подальше.
Продолжение поисков оптимального решения и вклад в разработку Джона Гуденафа
Уже в 1978 году британский ученый Джон Гуденаф и его команда занялась поиском новых материалов для батарейных анодов. Это был очень многообещающий проект, так как потенциал литиевых источников питания уже был известен, но обуздать капризный металл толком никак не удавалось – недавние эксперименты Уиттингема показывали, что до старта серийного производства желаемых литий-ионных батарей еще далеко.
В экспериментальных аккумуляторах использовались литиевый катод и сульфидная анод. Преимущество сульфидов над другими материалами в анодах задало Гуденаф и его коллегам направление для поисков.
Ученые заказали в свою лабораторию печь для производства сульфидов прямо на месте, чтобы быстрее экспериментировать с различными соединениями. Работа с печью закончилась не очень хорошо: в один день она взорвалась и вызвала пожар. Инцидент заставил команду исследователей пересмотреть свои планы: возможно, сульфиды, несмотря на их эффективность, были не лучшим выбором. Ученые сместили свое внимание в сторону оксидов, синтезировать которые были гораздо безопаснее.
После множества тестов с различными металлами, в том числе железом и марганцем, Гуденаф обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует лучшие результаты. Вот только использовать его надо не так, как к этому предусматривала команда, – искать не материал, который поглощает ионы лития, а материал, который охотно отдает ионы лития. Кобальт подходил лучше других еще и потому, что отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.
Применение кобальта стало важным, но не последним шагом в деле создания литий-ионных аккумуляторов. Справившись с одной проблемой, ученые столкнулись с другой: плотность тока оказалась слишком малой, чтобы использование литий-ионных элементов было экономически оправданным. И команда, которая осуществила один прорыв, совершила и второй: при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удалось повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом с удвоенной напряжением и емкостью.
На этом история изобретения литий-ионных батарей не заканчивается. Несмотря на открытие Гуденафа, у команды ученых еще не было образца, готового к серийному производству. Из-за использования металлического лития в катоде во время заряда аккумулятора ионы лития возвращались на анод неровным слоем, а дендритами – рельефными цепочками, которые, вырастая, вызывали короткое замыкание и фейерверк.
Принцип роботы литий-ионного аккумулятора
В 1980 году марокканский ученый Рашид Язами обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен. Вот только существующие в то время органические электролиты быстро разлагались при столкновении с графитом, потому Язами заменил их твердым электролитом.
Разработка коммерческого образца и вклад Акиро Ёсины
Однако прошло еще 11 лет прежде чем в продажу поступил первый литий-ионный аккумулятор: исследователи повышали безопасность батарей, повышали напряжение, экспериментировали с различными материалами катода.
Акиро Ёсино
Коммерческий образец литий-ионного аккумулятора разработала японская компания Sony и выдающийся химик Акира Ёсино. Первым устройством, которое получил передовую АКБ, стала любительская видеокамера Sony CCD-TR1. Она выдерживала 1000 циклов зарядки, а остаточная емкость после такого износа была вчетверо выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов аналогичного типа.
Сейчас же литий-ионные батареи используются едва ли не во всех электронных приборах: смартфон, планшет, смарт-часы, фитнес-трекер, ноутбук, беспроводная мышь и даже электрокарах. И уже очень трудно представить нашу повседневную жизнь без этих девайсов и изобретения трех ученых, которое обеспечивает жизнеспособность этих приборов.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
