Литий-ионные аккумуляторы принесли своим создателям Нобелевскую премию

Нобелевский комитет присудил премию по химии ученым, которые дали миру новое поколение накопителей энергии. Джон Гуденаф (John Goodenough) и Стэнли Уиттингем (Stanley Whittingham) синтезировали материал для катода, а Акира Есино (Akira Yoshino) сделал из него литий-ионные аккумуляторы. О значении этого открытия РИА Новости рассказала Татьяна Кулова, доктор химических наук, заведующая лабораторией процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии РАН.

Первый синтез и патенты

Обычная батарейка представляет собой ячейку, на концах которой два металлических электрода, а внутри — электролит. Химическая энергия в ней преобразуется в электрическую, достаточную, чтобы, например, включить фонарик.

Первые аккумуляторы делали из соединений свинца и никеля, соединяя в батареи по нескольку ячеек. В начале XX века ученые задумались о более емких и легких накопителях энергии. Начали исследовать литий — третий элемент в Периодической системе, самый легкий из металлов, пригодный для тока высокой плотности.

Однако литий активно вступает в реакции, поэтому его нужно изолировать от воды и воздуха. Значит, водные растворы в качестве электролита не годились. Альтернативы в виде карбонатных растворов появились ближе к середине века, тогда же была создана теория ионной проводимости, где заряды переносят части молекул и заряженные атомы — ионы.

Если к батарейке приложить напряжение, из катода начнут выбиваться положительно заряженные ионы металла и встраиваться в материал анода. Чем больше ионов может удержать анод, тем лучше емкость устройства. Как только напряжение исчезает, ионы металла возвращаются в катод.

«Литий-ионный аккумулятор состоит из положительного электрода — катода, отрицательного электрода — анода и неводного электролита. В такой системе отсутствует металлический литий, а процессы заряда и разряда внутри аккумулятора происходят за счет перемещения ионов лития между электродами. В отличие от устройств с литиевым анодом, они более пожаро- и взрывобезопасны. Неводный электролит позволил получить источник тока с напряжением выше 3,5 вольта и возможностью работы при низких температурах», — комментирует РИА Новости Татьяна Кулова.

Джон Гуденаф, работавший в то время в Оксфорде (Великобритания), и англичанин Стэнли Уиттингем, после Стэнфорда пришедший в американскую энергетическую компанию Exxon, специализировались на синтезе катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Именно они первыми получили различные катодные материалы, в том числе самые известные: LiCoO2 и LiFePO4.

Японский химик Акира Есино занимался, в первую очередь, материалами для анода. Он же собрал первый вариант литий-ионного аккумулятора на основе LiCoO2 и полиацетилена, замененного позже на графит. В 1985 году Есино оформил патент на литий-ионный аккумулятор, а в 1991-м на рынке появились первые устройства.

Как улучшить аккумулятор

У литий-ионных аккумуляторов выше удельная энергия, зависящая от удельной емкости активных материалов, из которых изготовлены электроды. Проще говоря, они пропускают через себя больший ток. Но ученые пытаются сделать их еще более энергоемкими, безопасными и долговечными, даже в условиях повышенных нагрузок.

Один из вариантов — заменить литированный оксид кобальта на феррофосфат лития — LiFePO4.

«Это соединение первоначально синтезировал Гуденаф, но его электронная проводимость оказалась низка, и оно не продемонстрировало высокую электрохимическую активность при внедрении лития. Позже эту проблему решили, и сейчас выпускают аккумуляторы с катодами из LiFePO4. Они работают при высоких токовых нагрузках и более дешевые», — продолжает исследовательница.

Если катоды сделать из тройных литированных оксидов металлов (NMC), удельная энергоемкость аккумулятора еще увеличится. Заменить же графит анода довольно сложно.

«Большие надежды возлагаются на аморфный кремний, поскольку он способен запасать на порядок больше лития, чем графит. Главная причина, по которой затруднено его использование в качестве анода, — разрушение при многократных циклах заряд-разряд. При внедрении лития в нем возникают сильные внутренние напряжения. Альтернатива — композиты на основе кремния и углерода, которые стабильны при циклировании», — поясняет Кулова.

В возглавляемой ею лаборатории создают новые схемы для литий-ионных аккумуляторов, например, с феррофосфатом лития в качестве катода, тонкопленочным кремнием в качестве анода, тройным литированным оксидом металлов — кремний-углеродным композитом, тройным литированным оксидом металлов — титанатом лития. Ведется разработка натрий-ионных аккумуляторов.

«Они несколько проигрывают литий-ионным по энергетическим характеристикам, но могут выигрывать по стоимости. Кроме того, мы создаем накопители, которые работают при минус 55 градусах», — добавляет ученый.

Первые литий-ионные аккумуляторы использовались исключительно в портативных приборах. Они произвели революцию в сфере ноутбуков и мобильных телефонов, появились mp3-плееры, Bluetooth-устройства и множество других гаджетов. Сейчас круг их применения расширился, открылись перспективы перехода на возобновляемые источники энергии.

«Для каждого применения нужно создавать литий-ионные аккумуляторы с разными эксплуатационными характеристиками. Устройства на одной электрохимической системе эффективнее в батарее для мобильного телефона, а на другой — в электромобиле или стационарном накопителе энергии. Именно поэтому синтезируется так много новых катодных и анодных материалов», — заключает Татьяна Кулова.Ближе всего к массовому производству находятся натриевые аккумуляторы с вдвое лучшими характеристиками. За ними идут графеновые суперкондесаторы и атомные технологии.

Источник: ria.ru


Читайте также:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

Яндекс.Метрика