Why have lithium–ion batteries just won the chemistry Nobel prize? — ABC Chemicals


Джон Гуденоф, Акира Ёсино и Стэнли Уиттингем сегодня получили Нобелевскую премию по химии 2019 года «за разработку ионно-литиевых батарей». Так что же такое литий-ионные аккумуляторы? Как они работают? И почему они так важны?

Почему они выиграли Нобелевскую премию?

Гуденхоу, Йошино и Уиттингем — пионеры литий-ионных аккумуляторов. Как объяснил Нобелевский комитет при объявлении премии, разработанные ими технологии являются основой «нашего нового перезаряжаемого мира». Литий-ионные аккумуляторы имеют малый вес и высокую плотность энергии, и их можно заряжать и использовать тысячи раз. Это делает их идеальным источником питания, обеспечивающим множество современных портативных электронных устройств, включая кардиостимуляторы, ноутбуки, мобильные телефоны и электромобили. Они также могут быть использованы в более широком масштабе для хранения энергии, производимой возобновляемыми источниками, такими как ветер и солнечная энергия, что помогает уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива.

Как на самом деле работают литий-ионные батареи?

Как и все батареи, литий-ионные батареи работают, производя ток электронов, который течет от анода к катоду. Это означает, что хороший анодный материал — это материал, который легко высвобождает свои электроны — из всех элементов литий является лучшим в бизнесе.

В современных батареях и анод, и катод изготовлены из слоистых материалов, которые могут хранить (интеркалировать) ионы лития в зазорах между их слоями. Когда батарея используется, электроны перемещаются от анода к катоду через внешнюю цепь, генерируя ток, необходимый для питания любого устройства, к которому подключена батарея. В то же время положительные ионы лития проходят через электролит от анода к катоду, где они снова сохраняются. Когда батарея заряжается, происходит обратный процесс с электронами и ионами лития, стекающими обратно на анод.  

Why have lithium–ion batteries just won the chemistry Nobel prize? - ABC Chemicals

Основным преимуществом этого подхода является то, что батареи эффективно работают за счет переключения ионов лития назад и вперед во время циклов зарядки и разрядки, не полагаясь на реакции, которые будут постепенно разрушать электроды — это означает, что их можно заряжать и заряжать снова и снова. Но самые ранние литиевые батареи должны были преодолеть несколько технических и химических проблем, чтобы в конечном итоге дать нам вездесущий литий-ионный элемент.

Что сделали новые нобелевские лауреаты?

В начале 1970-х годов Уиттингем впервые использовал потенциал лития в качестве материала анода, создав первую рабочую литиевую батарею. Эти батареи использовали дисульфид титана в качестве слоистого материала для катода. Однако аноды были сделаны из металлического лития, и они были подвержены короткому замыканию, так как усики лития росли от анода во время использования, в конечном итоге достигая катода с катастрофическими последствиями для устройства. Эти сбои могут привести к пожарам и даже взрывам.

Why have lithium–ion batteries just won the chemistry Nobel prize? - ABC Chemicals

Развивая идеи Уиттингема, Гуденоу работал над поиском лучшего катодного материала, который имел бы более высокий потенциал — производя более мощную батарею. Он также понял, что батареи не должны быть сделаны в их заряженном состоянии и могут быть заряжены впоследствии. Это помогло ему открыть новый материал катода, ЛиИксCoO2, что удваивает напряжение батарей, делая их гораздо более практичными для реальных приложений. Фактически, когда батареи в конечном итоге были коммерциализированы, они использовали почти точно такой же материал из оксида кобальта, который разработал Goodenough.

Но прежде чем это произошло, вопрос о металлическом аноде еще нужно было решить. В 1986 году Йошино использовал в аноде углеродистый материал на основе нефтяного кокса. Аккумулятор, который он разработал, имел большую емкость и был удивительно стабильным — его можно было заряжать и заряжать сотни раз, прежде чем его характеристики ухудшались. Это был первый раз, когда была создана литий-ионная батарея, пригодная для коммерческого использования.

Почему литий-ионные батареи так важны?

Это не просто аккуратная химия, это технология, которая, как полагают многие, является ключом к смягчению последствий изменения климата и вытеснению ископаемого топлива из нашего энергетического баланса. Растущий спрос на материалы, используемые в этих батареях, находится даже в центре геополитических бурь.

С ростом индустрии электромобилей в аккумуляторную технику вкладываются огромные инвестиции — компании хотят делать более мощные, безопасные и легкие материалы для хранения энергии. Разработка этих батарей была необходима для миниатюризации портативной электроники — до такой степени, что очень немногие из нас когда-либо покидают свои дома, не неся с собой в кармане, — и могут даже революционизировать способ питания наших домов.

Но литий-ионные аккумуляторы существуют уже целую вечность — почему они победили сейчас?

Люди призывают, чтобы разработчики литий-ионных батарей в течение многих лет были удостоены Нобелевской премии — имя Гуденоу регулярно появлялось в предсказаниях Нобелевской премии. Теперь он стал старейшим лауреатом Нобелевской премии. Учитывая корни технологии в нефтяном кризисе 1970-х годов, люди долго ждали этого. Так как широко используются литий-ионные аккумуляторы и такая трансформирующая технология, это, безусловно, популярный выбор.

Что мы можем ожидать дальше?

Основные проблемы, стоящие перед аккумуляторной промышленностью, включают производство энергии, безопасность и устойчивость.

Исследователи батарей начинают рассматривать вопрос о замене лития другими металлами — возможно, натриево-ионные батареи могут привести к более устойчивому будущему. Но пока эти батареи не могут сравниться с характеристиками своих кузенов на основе лития.

Другой ключевой проблемой является поиск альтернативных материалов для использования в электродах аккумуляторов — цена на кобальт резко возросла в последние годы благодаря тому, что он используется в аккумуляторах. Добыча металла также была связана с детским трудом, рабством и разжиганием конфликтов в нестабильных регионах мира. Однако кобальт содержится только в нескольких странах, причем Демократическая Республика Конго производит две трети мировых поставок.

Замена жидких электролитов является еще одной областью, которой исследователи батарей уделяют большое внимание. Эти электролиты были в центре споров, связанных с пожарами батареи телефона и заземлением самолетов. Возможные решения включают твердые электролиты или даже введение в корпус батарей огнетушащих химикатов.

Литий-воздушные батареи — еще одна перспективная технология, теоретическая выходная мощность которой в несколько раз выше, чем у традиционной литий-ионной батареи.







Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *