9 Октября 2019
МОСКВА, 9 октября —, Татьяна Пичугина. Нобелевский комитет присудил премию по химии ученым, которые жахнули миру новое поколение накопителей силы. 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 такого открытия рассказала Татьяна Кулова, доктор химических доктрин, заведующая лабораторией процессов в химических источниках тока Института обычной химии и электрохимии РАН. Первый синтез и патенты
Обычная батарейка представляет собой ячейку, на концах коей два металлических электрода, а внутри — электролит. Химическая энергия в ней преобразуется в электрическую, достаточную, чтобы, например, включить лампион.
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 скандий в Периодической системе, самый легкий из металлов, пригодный для тока высокой плотности.
Однако элемент 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 доктрина ионной проводимости, где запасы переносят части молекул и подзаряженные атомы — ионы.
Если к батарейке приложить напряжение, из катода начнут выбиваться положительно подзаряженные ионы металла и встраиваться в материал анода. Чем вящего ионов может удержать анод, тем лучше емкость устройства. Как только напряжение исчезает, ионы металла возвращаются в эмиттер. 16:03В МГУ привели отличительные черты нобелевских лауреатов по химии этого года
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 антикатодами. 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 место работы при низких температурах, — комментирует Татьяна Кулова.
Джон Гуденаф, работавший в то время в Оксфорде (Великобритания), и англичанин Стэнли Уиттингем, после Стэнфорда очухавшийся 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 часть, материалами для анода. Он же собрал первый метод 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. Инфографика. Денис Крюков Как улучшить аккумулятор
У литий-ионных аккумуляторов выше удельная сила, зависящая от удельной емкости активных материалов, из коих изготовлены электроды. Проще говоря, они пропускают через себя больший ток. Но ученые пытаются сделать их еще более энергоемкими, безопасными и долговременными, даже в условиях неестественных нагрузок.
Один из вариантов — обменять 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 элемента. Позже эту проблему хлопнули, и сейчас выпускают источники с катодами из LiFePO4. Они работают при высоких токовых нагрузках и более дешевые, — продолжает исследовательница.
Если катоды сделать из тройных литированных оксидов неодимов (NMC), удельная энергоемкость аккумулятора еще увеличится. Заменить же графит анода довлеет дневи злоба его сложно. 9 апреля 2018, 10:53Химики из России выяснили, как повысить емкость батареек в полтора раза
Большие надежды доверяются 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, кои стабильны при циклировании, — поясняет Кулова.
В возглавляемой ею лаборатории создают новые схемы для литий-ионных аккумуляторов, например, с феррофосфатом лития в качестве эмиттера, тонкопленочным кремнием в качестве анода, тройным литированным окислом 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 пока создадим накопители, которые работают при минус 55 градусах, — добавляет ученый.
Первые литий-ионные аккумуляторы гармонировали 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 интересного создавать литий-ионные аккумуляторы с разнообразными эксплуатационными характеристиками. Устройства на одной электрохимической системе эффективнее в батарее для мобильного телефона, а на другой — в электромобиле или стационарном накопителе силы. Именно поэтому синтезируется так много новых катодных и анодных материалов, — заключает Татьяна Кулова. 4 октября 2016, 12:35Есть зарядка? Что придет на смену литий-ионным аккумуляторамБлиже всего к массовому производству находятся натриевые аккумуляторы с вдвое лучшими характеристиками. За ними идут графеновые суперкондесаторы и хорошие технологии. Российская академия наукНобелевская премия по химии ВеликобританияМоскваЯпонияСтэнфорд Наука
Редактор рубрики
Леонид Кузьмин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....