Литийионные аккумуляторы принесли своим создателям Нобелевскую премию

МОСКВА, 9 окт — РИА Новости, Татьяна Пичугина. 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) нашел подходящий анод и сделал литийионные 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 два металлических токоввода, а внутри — катод, анод и 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 высокой плотности тока.

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 аккумулятору 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.

"В литийионном аккумуляторе отсутствует металлический литий, а процессы заряда и разряда 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 литийионных 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 литийионного аккумулятора на основе LiCoO₂ и полиацетилена, замененного позже на графит. В 1985 году Есино оформил патент на литийионный аккумулятор, а в 1991-м на рынке появились первые устройства.

© Инфографика . Денис Крюков

Перейти в медиабанк

Как улучшить аккумулятор

У литийионных аккумуляторов выше удельная энергия, зависящая от удельной емкости активных материалов, из которых изготовлены электроды. Проще говоря, они запасают большее количество электричества и могут пропускать 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 ученый.

Если катоды сделать из тройного литированного оксида 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 заряда-разряда. При внедрении лития в нем возникают сильные внутренние напряжения. Альтернатива — композиты на основе кремния и углерода, которые более стабильны при циклировании", — поясняет Кулова.

В возглавляемой ею лаборатории создают новые варианты литийионных аккумуляторов, например, с феррофосфатом лития в качестве катода и 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 литийионным по энергетическим характеристикам, но могут выигрывать по стоимости. Кроме того, мы создаем накопители энергии, которые работают при минус 55 градусах", — добавляет ученый.

Первые литийионные 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 литийионные 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.