Наука у вашій кишені. Історія акумуляторних батарей, відзначених Нобелівською премією з хімії 2019

Технологією, розробленою трьома вченими, користуємося ми всі, вона всього за кілька десятиліть змінила світ до невпізнанності

Наука у вашій кишені. Історія акумуляторних батарей, відзначених Нобелівською премією з хімії 2019
Джон Гуденаф, Стенлі Віттінгем і Акіра Йосіно Фото з відкритих джерел

Технологією, розробленою трьома вченими, користуємося ми всі, вона всього за кілька десятиліть змінила світ до невпізнанності

Третій день Нобелівського тижня, який цього року випав на 9 жовтня, за традицією – день хімії. Саме у цій галузі сьогодні присудили найвищу наукову нагороду. Її в рівних частинах розділили американський учений німецького походження Джон Гуденаф, його співвітчизник Стенлі Віттінгем і японський хімік Акіра Йосіно, які створили технологію, що змінила світ до невпізнанності – літій-іонну акумуляторну батарею. Розповідаємо про історію цього пристрою і внесок кожного з вчених словами самого Нобелівського комітету.

Нобелівська премія за 2019 рік в області хімії присуджена Джону Б. Гуденафу, М. Стенлі Віттінгему і Акірі Йосіно за їхній внесок у розробку літій-іонних батарей. Ці акумуляторні батареї, які можна перезаряджати, стали основою бурхливого розвитку бездротової електроніки – мобільні телефони і ноутбуки увійшли в наше життя саме завдяки їм. Технологія, поетапно створена трьома видатними хіміками, також відкриває шлях до світу, вільного від викопного палива, оскільки тепер акумулятори використовуються повсюдно – від потужних електромобілів до накопичення енергії, видобутої з відновлюваних джерел. 

Унікальний елемент, який відкрив дорогу в майбутнє науки

Літій, який лежить в основі розробки, – один з найдавніших хімічних елементів у всесвіті. Він виник відразу ж після Великого вибуху (його історію досліджував лауреат в області фізики Джеймс Піблс). Людство познайомилося з літієм у 1817 році, коли шведські хіміки Юган Август Арфведсон і Єнс Якоб Берцеліус виділили його з мінерального зразка, видобутого в шахті на острові Утьо, що на сході Стокгольмського архіпелагу. Берцеліус назвав новий елемент на честь грецького слова "камінь" – lithos. Попри свою "важку" назву, це найлегший твердотільний елемент, тому ми практично не помічаємо вагу мобільних телефонів, які зараз носимо з собою всюди.

Нобелевский комитет

Літій – це метал. На його зовнішній орбіті всього один електрон, який легко з'єднується з якимось іншим атомом. Коли це відбувається, утворюється позитивно заряджений і більш стабільний іон.

Справедливості заради відзначимо, що шведські хіміки насправді виділили не чистий металевий літій, а його іони у формі солі. Чистий літій – привід викликати пожежну бригаду (про пожежників ми ще згадаємо в ході цієї історії). Він є нестабільним елементом, який необхідно зберігати в олії, щоб він не вступав в реакцію з повітрям.

Слабкість літію – його хімічна активність – також є і його силою. На початку 1970-х років Стенлі Віттінгем використовував цю його властивість для вивільнення зовнішнього електрона елемента, коли розробляв першу функціональну літієву батарею. У 1980 році Джон Гуденаф подвоїв потенціал батареї, створивши необхідні умови для збільшення її потужності та ефективності. А у 1985 Акірі Йосіно вдалося прибрати чисту речовину з батареї, повністю замінивши її іонами літію, значно безпечнішими у використанні. Це зробило акумулятор практичним і працездатним. Літій-іонні акумулятори принесли людству велику користь, оскільки вони дозволили розробити портативні комп'ютери, мобільні телефони, електромобілі та зберігати енергію, генеровану від сонця і вітру.

Тепер ми повернемося на п'ятдесят років назад, безпосередньо до початку історії літій-іонних батарей.

Бензиновий дим підштовхує дослідження у сфері акумуляторних технологій

До середини 20-го століття кількість автомобілів з бензиновим двигуном стала настільки великою, що їхні вихлопні гази помітно посилили проблему смогу, від якого страждали великі міста. Це, а також усвідомлення того, що необхідна для виробництва палива нафта є обмеженим ресурсом, стало викликати тривогу як у виробників автомобілів, так і у нафтових компаній. Щоби вижити на ринку, їм треба було почати інвестувати в електромобілі та альтернативні джерела енергії.

Однак для всього цього потрібні потужні акумулятори, здатні зберігати велику кількість енергії. А на той час на ринку було тільки два типи акумуляторів: важкий свинцевий акумулятор, винайдений ще у 1859 році (і який досі використовується як стартовий акумулятор в автомобілях з бензиновим двигуном) і нікель-кадмієвий акумулятор, розроблений в першій половині 20-го століття.

Нафтові компанії інвестують у нову технологію

Загроза виснаження запасів нафти призвела до того, що нафтовий гігант Exxon вирішив диверсифікувати свою діяльність. Компанія вклала великі кошти у фундаментальні дослідження і залучила провідних вчених-енергетиків того часу, надавши їм свободу займатися всім, чим завгодно, якщо це не було пов'язано з нафтою.

Британський хімік Стенлі Віттінгем був одним з тих, хто почав працювати під егідою Exxon. Сталося це у 1972 році. Він приїхав до США на роботу у Стенфордський університет, де досліджував тверді матеріали, здатні на атомарному рівні приєднувати заряджений іон. Це явище називається інтеркаляція. Приєднання таких іонів змінює властивості матеріалів. У Exxon Стенлі Віттінгем та його колеги почали досліджувати надпровідні матеріали, в тому числі дисульфід танталу, який може інтеркалювати іони. Дослідники додавали іони до цієї речовини та вивчали, як це впливає на її провідність.

Віттінгем відкриває надзвичайно енергоємний матеріал

Як це часто буває в науці, робота Віттінгема призвела до досить несподіваного відкриття. Несподіваного і цінного. Виявилося, що іони калію впливають на провідність дисульфіду танталу, і коли Стенлі Віттінгем почав детально вивчати отриманий матеріал, то помітив, що він має дуже високу енергоємність. Взаємодії, які виникали між іонами калію та дисульфідом танталу, були напрочуд багаті на енергію, і, коли він виміряв напругу матеріалу, вона склала пару вольт – більше, ніж у багатьох батарей того часу. Стенлі Віттінгем швидко зрозумів, що настав час змінити напрямок, перейшовши до розробки нових технологій, які могли б накопичувати енергію, необхідну для електротранспорту майбутнього. Тим не менше, тантал є одним з найбільш важких елементів, а ринок не потребував ще одного виду важких акумуляторів. Тоді вчений замінив тантал на титан – елемент зі схожими властивостями, але істотно меншою масою.

Нобелевский комитет

Перші акумулятори мали в електродах тверду речовину, що руйнувалася, вступаючи у хімічну реакцію з електролітом. Це призводило до знищення батареї. Перевага літієвої батареї Віттінгема в тому, що іони літію зберігалися в лакунах дисульфіду титану в катоді. Коли батарея перебувала у використанні, іони літію перетікали з літію в аноді у дисульфіт титана у катоді. Коли батарея заряджалася, іони літію знову текли назад.

Літій у негативному електроді

Стривайте, а де ж у цій історії літій? А його Віттінгем використовував як негативний електрод у своїй інноваційній батареї. І вибір літію тут не був випадковим. У батареї електрони повинні текти від негативного електрода (анода) до позитивного (катода). Отже, анод повинен містити матеріал, який легко віддає свої електрони. А літій саме належить до тих елементів, які запросто діляться своїми електронами.

Результатом роботи вченого стала акумуляторна літієва батарея, яка працювала за кімнатної температури і мала велику напругу. Стенлі Віттінгем разом зі своєю розробкою вирушив до штаб-квартири Exxon у Нью-Йорк на переговори. Бесіда тривала близько 15 хвилин – керівники компанії швидко прийняли рішення взятися за створення батареї для комерційного використання на основі відкриття вченого.

Раптові перешкоди – літій вибухає, а ціни на нафту падають

Група, яка взялася за розробку комерційних батарей, досить швидко зіткнулася з труднощами. При багаторазовому перезаряджанні від літієвого електрода починали рости ниткоподібні "вуса", які тягнулися до іншого електроду. Рано чи пізно вони досягали своєї мети, це призводило до короткого замикання у батареї та вибуху. Пожежників доводилося викликати настільки часто, що ті пригрозили змусити лабораторію купити спеціальні хімікати, необхідні для гасіння палаючого літію.

Щоб зробити батарею безпечною, учені додали алюміній до електрода з металевого літію, а також замінили у батареї електроліт. У 1976 році Стенлі Віттінгем, нарешті впевнений у своїй розробці, оголосив про відкриття, а самі акумулятори стали у невеликій кількості виробляти для швейцарської годинникової компанії, яка виявила бажання використовувати їх для своїх годинників на сонячних батареях.

Справи йшли добре, і дослідницька група вже поставила собі наступне амбітне завдання – збільшити ємність свого акумулятора до такого розміру, щоб від нього можна було живити автомобіль. Але тут на початку 1980-х рр. стався обвал цін на нафту і компанії Exxon довелося скорочувати витрати. Під програму економії потрапили дослідження групи Віттінгема. Втім, ліцензію на технологію вдалося продати трьом компаніям у трьох різних частинах світу. Так роботу підхопив Джон Гуденаф.

Нафтова криза мотивує Гуденафа взятися за розробку акумуляторів

Джон Гуденаф народився в університетському місті Єна, яке знаходиться на території сучасної Німеччини, але незабаром переїхав до США, де його батько отримав освіту, а потім став викладачем Єльського університету. В дитинстві у Джона, який ріс у колисці науки, були проблеми із навчанням читанню. Тому замість літер він став більш уважно придивлятися до цифр і так полюбив математику. Відслуживши після університету в армії, він вирішив присвятити своє життя ще й фізиці. Багато років Гуденаф пропрацював у Лабораторії Лінкольна Массачусетського інституту технологій. За цей час вчений встиг зробити внесок у розвиток технології оперативної пам'яті RAM, яка і досі є фундаментальним компонентом обчислювальної техніки.

Нафтова криза сімдесятих вдарило по Гуденафу, як і по багатьох громадянах США, це і спонукало його зайнятися розробкою альтернативних джерел енергії. Однак Лабораторія Лінкольна фінансувалася ВПС США, а це накладало певні обмеження на напрями досліджень. Тому, коли вченому запропонували посаду професора неорганічної хімії в Оксфордському університеті у Великобританії, він вирішив ризикнути. І так почав свої дослідження у сфері інноваційної енергетики.

Іони літію в оксиді кобальту і високий вольтаж

Гуденаф був в курсі революційних розробок Віттінгема, але його спеціальні знання будови речовини підказували, що катод у батареї колеги можна зробити ефективнішим, використавши оксид металу замість сульфіду. Дослідники з його групи отримали завдання знайти оксид металу, який виробляв би високу напругу при інтеркалюванні іонів літію, але не руйнувався би після їх видалення.

Вчений навіть не підозрював, наскільки успішною стане ця робота. Батарея Віттінгема генерувала більше двох вольт, а Гуденафу вдалося виявити, що акумуляторна батарея з літій-кобальтовим оксидом у катоді була майже удвічі потужнішою.

Нобелевский комитет

Гуденаф почав використовувати оксид кобальту в катоді літієвої батареї. Це майже подвоїло напругу батареї та зробило її набагато потужнішою.

Одним з ключів до цього успіху було усвідомлення Джоном Гуденафом того факту, що батареї не потрібно виробляти у зарядженому стані, як робилося раніше, а заряджати пізніше. У 1980 році він представив відкриття цього нового, енергоємного катодного матеріалу, який, попри невелику вагу, збільшував потужність і ємність акумуляторів. І це був вирішальний крок, який привів до бездротової революції.

Японські компанії бажають для своєї електроніки легких батарей

З падінням ціни на нафту на Заході інтерес до альтернативної енергетики та розвитку електротранспорту теж впав. У Японії все було зовсім інакше – тутешні технологічні компанії відчайдушно потребували легких здатних до перезаряджання батарей, які могли би живити інноваційну електроніку, таку як відеокамери, бездротові телефони і комп'ютери. Одним з учених, які зуміли вчасно розгледіти цю потребу, став Акіра Йосіно з корпорації Asahi Kasei. "Можна сказати, я нанюхав напрямок, в якому рухалися тренди", – пожартував він пізніше. 

Йосіно створює перший комерційний літій-іонний акумулятор

Коли Акіра Йосіно вирішив розробити функціональну здатну до перезаряджання батарею, він використовував літій-кобальтовий оксид Гуденафа як катод і спробував використовувати різні матеріали на основі вуглецю як анод. Дослідники раніше показали, що іони літію можуть бути інтеркальовані в молекулярні шари у графіті, але електроліт батареї руйнував графіт. Момент кричати: "Еврика!" для Йосіно настав, коли він спробував використовувати побічний продукт нафтопромисловості – нафтовий кокс. Коли він зарядив цю речовину електронами, іони літію втягнулися в матеріал. Потім, коли він увімкнув батарею, електрони та іони літію перетікали в бік оксиду кобальту в катоді, який має набагато більш високий потенціал.

Нобелевский комитет

Акіра Йосіно розробив перший літій-іонний аккумулятор для комерційного використання. У катоді він використовував оксид літію та кобальту, розроблений Гуденафом, а в аноді – вуглецевий матеріал, нафтовий кокс, який також може інтеркалювати іони літію. Функціональність батареї не заснована на будь-яких руйнівних хімічних реакціях. Натомість іони літію течуть взад і вперед між електродами, що продовжує термін служби батареї.

Розроблений Йосідою акумулятор виявився стабільним, легковажним, мав велику ємність і видавав неймовірні чотири вольта. Головною перевагою літій-іонної батареї стало те, що іони інтеркалювались в електроди. Більшість інших батарей ґрунтувалися на хімічних реакціях, при яких електроди повільно, але неухильно замінювалися. Коли ж літій-іонний акумулятор заряджається або використовується, іони перетікають між електродами, не вступаючи в реакцію із середовищем. Це означає, що акумулятор має тривалий термін служби і може заряджатися сотні разів, перш ніж його продуктивність погіршиться.

Ще одна велике перевага розробки японського вченого полягає у тому, що в його батареї немає чистого літію. У 1986 році, коли Акіра Йосіно перевіряв безпечність батареї, він проявив обережність і використав установку, призначену для випробування вибухових пристроїв. Він кинув великий шматок заліза на акумулятор, але нічого не сталося. Коли такий же експеримент провели з батареєю, що містить чистий літій, прогримів сильний вибух. Цей тест на безпеку став вирішальним у долі батареї. Акіра Йосіно назвав його "моментом, коли народилася літій-іонна батарея".

Літій-іонний акумулятор – серйозний крок до майбутнього без викопного палива

Одна з провідних японських компаній із виробництва електроніки почала продавати перші літій-іонні акумулятори у 1991 році. Це призвело до революції в електроніці. Мобільні телефони зменшилися в розмірах, комп'ютери стали портативними, з'явилися MP3-плеєри та планшети.

Згодом вчені з усього світу шукали в періодичній таблиці елементи для створення ще якісніших батарей, але нікому поки не вдалося придумати щось, що могло би зрівнятися з високою ємністю і напругою літієвої батареї. Тим не менш, літій-іонний акумулятор все ж був змінений і покращений. Крім іншого Джон Гуденаф придумав замінити оксид кобальту фосфатом заліза, що зробило акумулятори більш екологічними.

Як практично все, що виробляється в сучасному світі, літій-іонні батареї мають свій вплив на навколишнє середовище. Але при цьому вони дають величезні переваги. Акумулятори дозволили розробити екологічно чисті енергетичні технології та електромобілі, сприяючи тим самим зниженню викидів парникових газів і твердих часток вихлопних газів.

Завдяки своїй роботі Джон Гуденаф, Стенлі Віттінгем і Акіра Йосіно створили необхідні умови для суспільства, вільного від викопного палива і дротів. І таким чином виконали заповіт Альфреда Нобеля – принесли людству найбільшу користь.

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Loading...

Віджет партнерів

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>