ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Наука — 09.10.19
    ТЕКСТ: Нобелівський комітет
    Переклад: Марта Льода
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Нобелівка з хімії: винахід, який змінив наші життя

    Нобелівська премія з хімії 2019 року вручається Джону Б. Ґуденафу, М. Стенлі Віттінґему та Акірі Йосіно за їхній вклад у розробку літій-іонної батареї. Ця перезарядна батарея заклала фундамент для розробки таких бездротових електронних пристроїв, як ноутбуки та мобільні телефони. Вона також створює можливість для світу без викопного палива, оскільки застосовується у всьому – від живлення електричних автомобілів до збереження енергії з відновлюваних джерел.

     

    Хімічний елемент рідко відіграє центральну роль у драмі, але історія Нобелівської премії з хімії 2019 року має явного головного героя: Літій, древній елемент, утворений в перші хвилини Великого вибуху. Людство дізналося про нього у 1817 році, коли Йоган Авґуст Арфведсон та Єнс Якоб Берцеліус виділили його з мінерального зразка в шахті на острові Юто в Стокгольмському архіпелазі.

     

    Берцеліус дав назву елементу від грецького слова «літос», що означає «камінь». Попри свою «важку» назву, це найлегший твердий елемент, і саме тому ми заледве помічаємо мобільні телефони, які носимо з собою.

    Літій - це метал. У нього лише один електрон на зовнішній електронній оболонці, і він сильно тяжіє до переходу від Літію до іншого атома. Коли це відбувається, формується стабільніший, позитивно заряджений іон Літію.

    Якщо коректніше, то шведські хіміки не знайшли насправді чистого металевого літію, вони знайшли його іони у вигляді солі. Чистий літій запустив не одну пожежну тривогу, як ми побачимо також і в розказаній тут історії; це нестабільний елемент, який треба зберігати в олії, щоб він не реагував з повітрям.

     

    Слабкість Літію – його реактивність – є також і його силою. На початку 1970-х Стенлі Віттінґем використав надзвичайно сильний потяг Літію до випускання свого зовнішнього електрона для створення першої робочої літієвої батареї. В 1980 році Джон Ґуденаф подвоїв потенціал батареї, створивши правильні умови для суттєво потужніших і корисніших батарей. В 1985 році Акірі Йосіно вдалося повністю відмовитися від чистого літію в батареї, базуючи її натомість повністю на іонах літію, які є безпечнішими, ніж чистий літій. Це дозволило використовувати батарею на практиці. Літій-іонні батареї принесли людству величезну користь, оскільки зробили можливою розробку ноутбуків, мобільних телефонів, електроавтомобілів та зберігання енергії, отриманої від сонця і вітру.

     

    Тепер ми заглибимося на п’ятдесят років в минуле, до початку сильно зарядженої історії літій-іонних батарей.

    Дим від бензину відроджує дослідження батарей

    В середині ХХ століття кількість автомобілів на бензині в світі суттєво збільшилась, і їх вихлопи погіршили ситуацію зі шкідливим смоґом у великих містах. Вкупі зі зростанням усвідомлення, що нафта є скінченним ресурсом, це стало тривожним дзвінком як для виробників автомобілів, так і для нафтових компаній. Якщо вони хотіли, щоб їх бізнес вижив, необхідно було інвестувати в розробку електромобілів та альтернативних джерел енергії.

     

    Як електромобілі, так і альтернативні джерела енергії потребують потужних батарей, які могли б зберігати велику кількість енергії. На той час на ринку були насправді лише два види перезарядних батарей: важкі свинцеві батареї, винайдені ще у 1859 (які і досі застосовуються як акумулятори для заводу автомобілів на бензині), та нікель-кадмієві батареї, розроблені в першій половині ХХ ст.

    Нафтові компанії інвестують в нову технологію

    Загроза вичерпання запасів нафти підштовхнула нафтового гіганта Exxon до рішення про диверсифікацію. В межах великої інвестиції у базові дослідження вони запросили декого із найкращих тогочасних дослідників енергетики, даючи їм свободу робити майже все, що заманеться, за умови, що воно не буде стосуватися бензину.

     

    Стенлі Віттінґем був одним із тих, хто перемістився в Exxon в 1972 році. Він прибув зі Стенфордського університету, де, серед іншого, досліджував тверді матеріали з порами розміром з атом, куди можуть прикріпитися іони. Це явище називається інтеркаляція. Властивості матеріалу змінюються, коли в них закріплюються іони. В Exxon Стенлі Віттінґем з колегами почали досліджувати надпровідники, включно з дисульфідом танталу, які можуть інтеркалювати іони. Вони додавали іони до дисульфіду танталу і вивчали, як це впливає на його провідність.

    Віттінґем відкриває матеріал з надзвичайною густиною енергії

    Як то часто буває в науці, цей експеримент привів до несподіваного і цінного відкриття. Виявилося, що іони калію впливають на провідність дисульфіду танталу, і коли Стенлі Віттінґем почав вивчати цей матеріал детальніше, то спостеріг, що у нього дуже висока густина енергії. Взаємодії, які відбувалися між іонами калію та дисульфідом танталу, були несподівано багаті на енергію, і коли він виміряв напругу в матеріалі, то вона сягала кількох вольт. Це був кращий показник, ніж у багатьох тогочасних батарей. Стенлі Віттінґем швидко зрозумів, що пора міняти напрямок, переходячи до розробки нової технології, яка могла б зберігати енергію для майбутніх електромобілів. Проте Тантал – один із важчих елементів, а на ринку не були потрібні ще одні важкі батареї, тож він замінив Тантал на Титан – елемент зі схожими властивостями, але значно легший.

     

    Літій у негативно зарядженому електроді

    Хіба ж головна роль у цій історії не мала належати Літію? Ну ось, тут Літій виходить на сцену у нашій історії – у якості негативно зарядженого електрода в інноваційній батареї Стенлі Віттінґема. Літій не був випадковим вибором; в батареї електрони мають переходити від негативно зарядженого електрода – анода – до позитивно зарядженого електрода – катода. Тож анод має містити матеріал, який легко віддає свої електрони, і, зі всіх елементів, Літій – один із тих, що випускають електрони найлегше.   

     

    Результатом стала перезарядна батарея, яка працювала за кімнатної температури і – буквально – мала величезний потенціал. Стенлі Віттінґем поїхав до штаб-квартири Exxon в Нью-Йорку, щоб обговорити проект. Зустріч протривала близько п’ятнадцяти хвилин, і потому група управлінців швидко ухвалила рішення: вони візьмуться за розробку комерційно вигідної батареї на основі відкриття Стенлі Віттінґема.

    Перші перезарядні батареї мали електроди з твердих матеріалів, які руйнувалися через хімічні реакції з електролітом. Це знищувало батарею. Перевагою літієвої батареї Віттінґема було те, що іони літію зберігалися в порах дисульфіду титану на катоді. Коли батарея використовувалась, іони літію перетікали з літію на аноді до дисульфіду титану на катоді. Коли батарея заряджалась, іони літію перетікали назад.

    Батарея вибухає, ціна на нафту падає

    На жаль, команда, яка взялася за виробництво батареї, зіткнулася з певними труднощами. По мірі того, як батарею перезаряджали повторно, з літієвого електрода проростали тоненькі літієві вусики. Коли вони досягали протилежного електрода, в батареї ставалося коротке замикання, що могло призвести до вибуху. Пожежній бригаді довелося загасити кілька пожеж, і врешті вони пригрозили, що змусять лабораторію заплатити за спеціальні хімікати, необхідні для гасіння літієвих пожеж.

     

    Щоб зробити батарею безпечнішою, до металево-літієвого електрода додали алюміній і замінили електроліт між електродами. Стенлі Віттінґем оголосив про своє відкриття у 1976 році, і батарею почали виготовляти у невеликих масштабах для виробника швейцарських годинників, який хотів використати її для своїх виробів на сонячних батареях. 

     

    Наступною метою було збільшити перезарядну літієву батарею, щоб вона могла забезпечувати енергією електромобіль. Проте на початку 1980-х ціна на нафту різко впала, і Exxon довелося скоротити витрати. Праця над розробками була припинена, і ліцензія на технологію батареї Віттінґема перейшла до трьох різних компаній у трьох різних частинах світу. 

     

    Проте це не означало, що розробки зупинилися. Коли Exxon здалися, Джон Ґуденаф перейняв естафету.

    Нафтова криза спонукає Гуденафа зацікавитися батареями

    В дитинстві Джону Ґуденафу було дуже важко навчитися читати, що стало однією з причин, чому його привабила математика і згодом – після Другої світової війни – також фізика. Впродовж багатьох років він працював у Лабораторії ім. Лінкольна в Массачусетському технологічному інституті, МІТ. Працюючи там, він здійснив вклад у розробку оперативної пам’яті (RAM), яка досі є основоположним компонентом комп’ютерів.

     

    По Джону Ґуденафу, як і по багатьох людях у 1970-х, суттєво вдарила нафтова криза, і він хотів долучитися до розробки альтернативних джерел енергії. Проте Лабораторія ім. Лінкольна отримувала фінансування від Повітряних сил США, і там не всі види досліджень були дозволені, тож коли йому запропонували посаду професора неорганічної хімії в Оксфордському університеті в Великобританії, він скористався можливістю і вступив у важливий світ енергетичних досліджень.

     

    Висока напруга, коли іони літію ховаються в оксиді кобальту

    Джон Ґуденаф знав про революційну батарею Віттінґема, але його спеціалізовані знання про матерію зсередини підказували йому, що катод батареї міг би мати ще вищий потенціал, якщо його зробити з оксиду металу, а не з сульфіду. Кільком людям з його дослідницької команди було задано знайти оксид металу, який давав би високу напругу при інтеркаляції іонів літію і який не обвалювався би, коли іони його покидають.

     

    Цей систематичний пошук був успішнішим, ніж Джон Ґуденаф смів сподіватися. Батарея Віттінґема генерувала понад два вольти, але Ґуденаф виявив, що батарея з літію-оксиду кобальту на катоді була майже вдвічі потужнішою, сягаючи чотирьох вольт.

     

    Одним із ключів до цього успіху було усвідомлення Джона Ґуденафа, що немає потреби виготовляти батареї у зарядженому стані, як це робили раніше. Натомість, їх можна зарядити потім. В 1980 році він опублікував відкриття цього нового катодного матеріалу з високою густиною енергії, який, попри малу вагу, створював потужні високоємні батареї. Це був рішучий крок назустріч бездротовій революції.

    Ґуденаф почав застосовувати оксид кобальту в катоді літієвої батареї. Це майже подвоїло потенціал батареї і зробило її значно потужнішою.

    Японські компанії шукають легкі батареї для нової електроніки

    Проте на Заході, по мірі здешевіння нафти, зацікавлення та інвестиції в технологію альтернативної енергії та розробку електромобілів впали. В Японії все було інакше; компанії з виробництва електроніки відчайдушно потребували легких перезарядних батарей, які могли б давати енергію для інноваційних пристроїв, таких як відеокамери, бездротові телефони та комп’ютери. Одним з тих, хто розгледів цю потребу, був Акіра Йосіно з Asahi Kasei Corporation. Або, як він сам сказав: «Я просто наче внюхав шлях, яким рухалися тренди. Можна сказати, що у мене був хороший нюх».

     

    Йосіно створює першу комерційно вигідну літій-іонну батарею

    Коли Акіра Йосіно вирішив розробити робочу перезарядну батарею, у нього був літій-оксид кобальту Ґуденафа в якості катода, а в якості анода він випробовував різноманітні матеріали на базі вуглецю. Дослідники перед тим показали, що іони літію можна інтеркалювати в молекулярні шари графіту, але графіт руйнувався під дією електроліту в батареї. Момент еврики для Акіри Йосіно настав тоді, коли він вирішив натомість використати нафтовий кокс, матеріал з відходів нафтової індустрії. Коли він зарядив нафтовий кокс електронами, іони літію почали притягуватися до цього матеріалу. Потім, коли він увімкнув батарею, електрони та іони літію потекли до оксиду кобальту в катоді, у якого значно вищий потенціал.

     

    Батарея, розроблена Акірою Йосіно, стабільна, легка, має високу ємність і створює напругу у вражаючі чотири вольти. Найбільшою перевагою літій-іонної батареї є те, що іони інтеркальовані у електродах. Більшість інших батарей базуються на хімічних реакціях, в яких електроди повільно, але невпинно змінюються. Коли заряджається чи використовується літій-іонна батарея, іони перетікають між електродами, не вступаючи в реакцію з середовищем. Це означає, що у батареї довгий термін придатності, і її можна заряджати сотні разів до того, як вона зноситься і почне гірше працювати.

    Акіра Йосіно розробив першу комерційно вигідну літій-іонну батарею. Він використав літій-оксид кобальту Ґуденафа на катоді і вуглецевий матеріал, нафтовий кокс, який також може інтеркалювати іони літію, на аноді. Функціонування батареї не базується на жодних руйнівних хімічних реакціях. Натомість, іони літію рухаються туди-сюди між електродами, що подовжує термін роботи батареї.

    Ще однієї великою перевагою є те, що ця батарея не містить чистого літію. У 1986 році, коли Акіра Йосіно перевіряв безпечність батареї, він виказав обережність і використав приміщення, створене для випробування вибухових пристроїв. Він скинув на батарею великий шмат заліза, і нічого не відбулося. Проте при повторі експерименту з батареєю, яка містила чистий літій, стався потужний вибух.

     

    Проходження перевірки на безпеку було основою для майбутнього батареї. Акіра Йосіно каже, що це була «мить, коли народилася літій-іонна батарея».

    Літій-іонна батарея – необхідність для суспільства без викопного палива

    В 1991 році велика японська компанія з виробництва електроніки почала продавати перші літій-іонні батареї, що привело до революції в електроніці. Мобільні телефони зменшились у розмірі, комп’ютери стали портативними, і були розроблені МР3-плеєри і планшети.

     

    Потому дослідники зі всього світу обшукували цілу періодичну таблицю, полюючи за ще кращими батареями, але поки що нікому не вдалося винайти щось, що перевершило би високу ємність і напругу літій-іонних батарей. Проте сама літій-іонна батарея змінилась і покращилась; серед іншого, Джон Ґуденаф замінив оксид кобальту на фосфат заліза, що робить батарею більш дружньою до довкілля. 

     

    Як майже і все інше, виробництво літій-іонних батарей має вплив на довкілля, проте є також великі екологічні переваги. Батарея зробила можливою розробку чистіших енергетичних технологій та електромобілів, здійснюючи у такий спосіб вклад у зменшення викидів парникових газів і часточок.

     

    Своєю працею Джон Ґуденаф, Стенлі Віттінґем та Акіра Йосіно створили відповідні умови для бездротового суспільства, в якому не буде викопного палива, і цим здійснили величезний вклад для людства.      

    Про важливість відкриття говорить кандидат хімічних наук Юрій Халавка

    Відкриття літій-іонних акумуляторів  – це шлях до відмови від викопних ресурів, до балансу енергетики й розвитку промисловості, наприклад, виробництва електрокарів та накопичувачів енергії. Такі акумулятори дають більшу напругу, не такі вибагливі щодо заряду-розряду, як інші типи батарей. Крім того, вони легші, не токсичні та більш толерантні до температурних коливань.

    ТЕКСТ: Нобелівський комітет
    Переклад: Марта Льода
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?