Три ученых победили в создании легких перезаряжаемых устройств
Создание перезаряжаемого мира принесло трем ученым Нобелевскую премию по химии 2019 года.
Джон Б. Гуденоф (John B. Goodenough)из Техасского университета (University of Texas) в Остине (Austin), М. Стэнли Уиттингем (M. Stanley Whittingham) из Университета Бингемтон (Binghamton University) в Нью-Йорке и Акира Ёсино (Akira Yoshino) из Asahi Kasei Corporation в Токио и Университета Мейхо (Meijo University) в Нагое (Nagoya), Япония, стали лауреатами за свой вклад в разработку литий-ионных батарей.
Эти легкие перезаряжаемые аккумуляторы питают все, от портативной электроники до электромобилей и велосипедов, и обеспечивают способ хранения энергии из возобновляемых, но кратковременных источников энергии, таких как солнечный свет и ветер.
«Эта батарея оказала огромное влияние на наше общество»,— заявил 9 октября Олоф Рамстрем (Olof Ramström), химик из Массачусетского университета (University of Massachusetts) в Лоуэлле (Lowell) и член Нобелевского комитета по химии 2019 года, во время объявления премии Королевской академией наук Швеции (Royal Swedish Academy of Sciences). в Стокгольме «Понятно, что открытия наших трех лауреатов действительно сделали это возможным. Это действительно было на пользу человечеству».
Эти новоиспеченные лауреаты в равной степени разделят приз в 9 миллионов шведских крон (около 900 000 долларов). 97-летний Гуденоф — старейший человек, получивший Нобелевскую премию.
«Джон — удивительный ученый с невероятной интуицией и замечательный человек, который вдохновил поколения ученых и инженеров своим позитивным отношением, честностью и безграничным любопытством»,— говорит Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn), химик и инженер из Массачусетского технологического института (University of Massachusetts).
Аккумуляторы накапливают электрическую энергию в форме химической энергии и имеют три основные части: два электрода (анод или отрицательный электрод и катод, положительный) и электролит, который помогает ионам перемещаться внутри батареи. Химические реакции на одном конце батареи в аноде высвобождают электроны, которые проходят через цепь на другой конец и принимаются катодом, образуя ток, который может питать фонарик, мобильный телефон или автомобиль.
Алессандро Вольта (Alessandro Volta) продемонстрировал первую электрическую батарею в 1800 году, и с тех пор ученые стремились создать лучшие батареи — в основном, в поисках анодных материалов, которые могут выделять больше электронов и катодных материалов, которые могли бы лучше их привлекать.
В 1970-х годах Уиттингем (Whittingham) начал экспериментировать с литием в качестве материала анода, потому что он очень легкий и легко высвобождает электроны и положительно заряженные ионы лития. Его схема перезаряжаемой батареи использовала катод из дисульфида титана, который содержит много слоев, которые могут содержать ионы лития, высвобождаемые из анода. Работая с энергетической компанией Exxon, Уиттингем соединил металлический литий и дисульфид титана в батарее, создав первую литиевую батарею. Его батарея выдавала 2 вольта.
Но металлический литий, который составлял оригинальный анод Уиттингема, был склонен к образованию дефектов, называемых дендритами, которые могли вызвать короткое замыкание и взрыв батареи. Поэтому разработчики добавили алюминий к литиевому аноду и заменили электролитное вещество, помещенное между анодом и катодом, чтобы сделать батарею более безопасной для повседневного использования.
Затем, в конце 1970-х и начале 1980-х годов, Гуденоф стремился улучшить катод Уиттингема, используя вместо этого оксид кобальта. Этот материал был слоистым, как дисульфид титана, но мог содержать еще больше ионов в своих слоях. Инновация Гуденоф удвоила потенциал напряжения литиевых батарей до 4 Вольт, «гигантский скачок в мире батарей», сказал Рамстрем во время пресс-конференции. (Многие смартфоны сегодня используют литиевые батареи с напряжением около 4 вольт.) Но в качестве анода в батарее по-прежнему использовался металлический литий.
В 1985 году Ёсино исследовал использование побочного продукта добычи нефти под названием нефтяной кокс в качестве анода. Как и оксид кобальта, нефтяной кокс был тонкослойным и хотя он не был изготовлен из лития он мог хранить ионы лития при зарядке. В сочетании с катодом Гуденафа материал анода Ёсино привел к еще более безопасному, более долговечному, легкому и перезаряжаемому 4-вольтовому аккумулятору. Эта базовая конструкция была использована в первых коммерчески доступных литий-ионных батареях в 1991 году.
«Любопытство было для меня главной движущей силой»,— сказал Ёсино на пресс-конференции в Стокгольме.
Эти ранние литий-ионные аккумуляторы давали примерно в два раза больше энергии, чем следующий лучший вариант, и могли заряжаться сотни раз, прежде чем их производительность начала ухудшаться.
«Это очень хорошо чувствовать, что чье-то исследование действительно что-то дало. Это не просто упало, как говорится, в мусорную корзину»,— сказал Уиттингем на телеконференции 9 октября, сразу же после ужина в его честь в Германии, куда он в то время путешествовал.
Объявление Нобелевской премии «действительно волнительно для сообщества аккумуляторов»,— говорит Келси Хатцелл (Kelsey Hatzell), исследователь аккумуляторов из Университета Вандербильта (Vanderbilt University) в Нэшвилле (Nashville). «Работа Стэна, Акиры и Джона так важна… Вы не можете себе представить, как вы проходите свою повседневную жизнь, не используя полдюжины различных устройств, которые используют литий-ионные аккумуляторы», включая телефоны, компьютеры и другие устройства связи.
«Я очень рад, что моя работа помогла людям общаться по всему миру»,— сказал Гуденоу на пресс-конференции в Лондоне 9 октября. «Нам нужно строить отношения, а не стены, и я рад, что люди используют эту работу на благо, а не на зло».
Когда его спросили, рассчитывает ли он на победу и что он сделает с призовым фондом, Гуденоф ответил: «Я ничего не ожидал! Это был очень насыщенный день, вот и все, что я могу сказать и я благодарен всем... Моя доля премии пойдет в мой университет, чтобы поддержать людей, которые там работают».
Гуденоф, возможно, не ожидал этой чести, но другие исследователи уже давно считают его сторонником химии Нобеля. «Люди в области электрохимии… поставили его на первое место в наших списках [предсказаний Нобеля] за годы, годы, годы и годы»,— говорит химик Аманда Моррис (Amanda Morris) из Virginia Tech в Блэксбурге (Blacksburg). «Было действительно здорово видеть его и других лауреатов, наконец, узнаваемыми».
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы работают намного лучше, чем те, что были на рынке в 1991 году. «В течение последних двух десятилетий или более исследователи очень усердно работали над повышением энергии [аккумуляторов]. Энергия удвоилась — в некоторых случаях даже утроилась, и жизненный цикл значительно улучшился »,— говорит Шао-Хорн (Shao-Horn). Сегодня вы можете заряжать эти батареи тысячи раз. Батареи также стали безопаснее и дешевле.
Изобретение литий-ионных батарей «является таким прекрасным примером улучшения жизни людей с помощью силы химии»,— говорит биохимик Бонни Шарпантье (Bonnie Charpentier), президент Американского химического общества (American Chemical Society) и старший вице-президент по вопросам регулирования, качества и безопасности лекарств в биофармацевтической компании Cytokinetics. Inc.
Более того, «этот год — международный год периодической таблицы элементов, поэтому интересно иметь Нобелевскую премию, которая фактически называет элемент»,— говорит она.
Исследователи в настоящее время разрабатывают различные типы литиевых аккумуляторных батарей, такие как литий-кислород или литий-сера, которые могут упаковать больше энергии в более легком корпусе, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы. По словам Хатцелла, другие ученые пытаются выяснить, как эффективно утилизировать литий-ионные аккумуляторы или создавать аккумуляторы с использованием более устойчивых ресурсов, чем современные силовые элементы.
Источник: Science News