9 Октября 2019
МОСКВА, 9 октября —, Татьяна Пичугина. Нобелевский комитет присудил премию по химии ученым, которые даровали миру новое поколение накопителей настойчивости. Джон Гуденаф (John Goodenough) и Стэнли Уиттингем (Stanley Whittingham) синтезировали материал для катода, а Акира Есино (Akira Yoshino) сделал из него литийионные аккумуляторы. О значении этого открытия рассказала Татьяна Кулова, доктор химических наук, заведующая лабораторией процессов в химических источниках тока Института физиологической 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 заголовок.
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 таблице, пожалуй самый легкий из металлов, пригожий 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 случились ближе к середине века, тогда же была создана доктрина ионной проводимости, где детонаторы 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 большого ионов может удержать анод, тем лучше емкость устройства. Как только напряжение исчезает, ионы металла возвращаются в эмиттер. 16:03В МГУ отметили отличительные черты нобелевских лауреатов по химии этого года
Литийионный 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 микроэлектродами. 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 Татьяна Кулова.
Джон Гуденаф, работавший в то время в Оксфорде (Великобритания), и англичанин Стэнли Уиттингем, после Стэнфорда очувствовавшийся 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 череда, материалами для анода. Он же собрал первый разновидностей 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 Как поменять аккумулятор
У литийионных аккумуляторов выше удельная настойчивость, зависящая от удельной емкости активных материалов, из коих изготовлены электроды. Проще говоря, они пропускают через себя больший ток. Но ученые пытаются сделать их еще намного более энергоемкими, безопасными и прочными, даже в условиях дорогих нагрузок.
Один из вариантов — поставить литированный оксид кобальта на феррофосфат лития — LiFePO4.
Это соединение первоначально синтезировал Гуденаф, но его электронная проводимость оказалась низка, и оно не продемонстрировало большую электрохимическую активность при внедрении элемента. Позже эту проблему укокали, и сейчас выпускают накопители с катодами из LiFePO4. Они работают при высоких токовых нагрузках и более дешевые, — продолжает исследовательница.
Если катоды сформировать из тройных литированных оксидов цериев (NMC), удельная энергоемкость аккумулятора еще увеличится. Заменить же графит анода довольно 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 начинаются сильные внутренние напряжения. Альтернатива — композиты на основе элемента и углерода, которые постоянным при циклировании, — объясняет Кулова.
В возглавляемой ею лаборатории генерируют новые схемы для литий-ионных накопителей, например, с феррофосфатом лития в качестве катода, тонкопленочным кремнием в качестве электрода, тройным литированным оксидом цериев — 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 винчестеры, которые работают при вычет 55 градусах , — добавляет ученый.
Первые литий-ионные аккумуляторы гармонировали исключительно в портативных приборах. Они произвели революцию в поле деятельности 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 настойчивости. 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 атомарные технологии. Российская академия наукНобелевская награда 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....