Історія створення літій-іонних батарей: чим троє науковців заслужили Нобелівську премію

  • 10 октября, 10:59
  • 1668
  • 0

Цьогоріч лауреатами Нобелівської премії з хімії стали Джон Гуденаф, Стенлі Віттінгем та Акіра Йосіно, які винайшли літій-іонні акумулятори. Внесок науковців дійсно вагомий, адже саме цей тип АКБ вважають найпопулярнішим у світі та використовують під час створення ґаджетів, електрокарів та багатьох інших приладів.

Відкриття Стенлі Віттінгема та його внесок в розробку

Ще в 1970-х роках британець Стенлі Віттінгем, який працював в паливно-енергетичній компанії Exxon, при створенні літієвої батареї використовував анод з сульфіду титану і літієвий катод. Перша літієва батарея, яку можна було перезаряджати, демонструвала стерпні показники по струму і напрузі, тільки періодично вибухала і труїла оточуючих газом: дисульфід титану при контакті з повітрям виділяв сірководень, дихати яким як мінімум неприємно, як максимум – небезпечно.

Історія створення літій-іонних батарей: чим троє науковців заслужили Нобелівську премію
Стенлі Віттінгем

Крім цього, титан в усі часи був дуже дорогим, а в 1970 роки ціна дисульфіду титану складала близько 1 000 доларів за кілограм (еквівалент 5 000 доларів в наш час). Не кажучи вже про те, що металевий літій на повітрі горить. Тому компанія Exxon згорнула проєкт Віттінгема від гріха подалі.

Продовження пошуків оптимального рішення та внесок в розробку Джона Гуденафа

Вже у 1978 році британський науковець Джон Гуденаф та його команда зайнялася пошуком нових матеріалів для батарейних анодів. Це був дуже багатообіцяючий проєкт, так як потенціал літієвих джерел живлення вже був відомий, але приборкати примхливий метал толком ніяк не вдавалося – недавні експерименти Віттінгема показували, що до старту серійного виробництва бажаних літій-іонних батарей ще далеко.

В експериментальних акумуляторах використовувалися літієвий катод і сульфідний анод. Перевага сульфідів над іншими матеріалами в анодах задала Гуденафу та його колегам напрямок для пошуків.

Історія створення літій-іонних батарей: чим троє науковців заслужили Нобелівську премію
Джон Гуденаф

Вчені замовили в свою лабораторію піч для виробництва сульфідів прямо на місці, щоб швидше експериментувати з різними сполуками. Робота з піччю закінчилася не дуже добре: в один день вона вибухнула і спричинила пожежу. Інцидент змусив команду дослідників переглянути свої плани: можливо, сульфіди, незважаючи на їх ефективність, були не кращим вибором. Вчені змістили свою увагу в бік оксидів, синтезувати які було набагато безпечніше.

Після безлічі тестів з різними металами, в тому числі залізом і марганцем, Гуденаф виявив, що оксид літій-кобальту демонструє найкращі результати. Ось тільки використовувати його треба не так, як до цього передбачала команда, – шукати не матеріал, який поглинає іони літію, а матеріал, який найохочіше віддає іони літію. Кобальт підходив краще інших ще й тому, що відповідає всім вимогам з безпеки і до того ж підвищує напругу елемента до 4 вольт, тобто вдвічі більше в порівнянні з ранніми варіантами батарей.

Історія створення літій-іонних батарей: чим троє науковців заслужили Нобелівську премію
Нобелівську премію з хімії у 2019 році присудили творцям літій-іонного акумулятора

Застосування кобальту стало найважливішим, але не останнім кроком у справі створення літій-іонних акумуляторів. Впоравшись з однією проблемою, вчені зіткнулися з іншою: щільність струму виявилася занадто малою, щоб використання літій-іонних елементів було економічно виправданим. І команда, яка здійснила один прорив, зробила і другий: при зменшенні товщини електродів до 100 мікрон вдалося підвищити силу струму до рівня інших типів акумуляторів, при цьому з подвоєною напругою і ємністю.

На цьому історія винаходу літій-іонних батарей не закінчується. Незважаючи на відкриття Гуденафа, у команди науковців ще не було зразка, готового до серійного виробництва. Через використання металевого літію в катоді під час заряду акумулятора іони літію поверталися на анод нерівним шаром, а дендритами – рельєфними ланцюжками, які, виростаючи, викликали коротке замикання і феєрверк.

Принцип роботи літій-іонного акумулятора
Принцип роботи літій-іонного акумулятора

У 1980 році марокканський вчений Рашид Язамі виявив, що графіт відмінно справляється з роллю катода, при цьому він абсолютно пожежобезпечний. Ось тільки існуючі в той час органічні електроліти швидко розкладалися при зіткненні з графітом, тому Язамі замінив їх твердим електролітом.

Розробка комерційного зразка та внесок Акіро Йосіни

Однак минуло ще 11 років перш ніж в продаж надійшов перший літій-іонний акумулятор: дослідники підвищували безпеку батарей, підвищували напругу, експериментували з різними матеріалами катода.

Акіро Йосіна
Акіро Йосіна

Комерційний зразок літій-іонного акумулятора розробила японська компанія Sony та видатний хімік Акіра Йосіно. А першим пристроєм, який отримав передову АКБ, стала аматорська відеокамера Sony CCD-TR1. Вона витримувала 1000 циклів зарядки, а залишкова ємність після такого зносу була вчетверо вище, ніж у нікель-кадмієвого акумулятора аналогічного типу.

Зараз же літій-іонні батареї використовуються чи не у всіх електронних приладах: смартфон, планшет, смарт-годинник, фітнес-трекер, ноутбук, бездротову мишка та навіть електрокари. І вже дуже тяжко уявити наше повсякденне життя без цих девайсів та винаходу трьох вчених, який забезпечує життєздатність цих приладів.

Джерело: 24tv.ua


0 комментариев
Сортировка:
Добавить комментарий

IT Новости

Смотреть все