Батарея - огонь!

За что дали Нобелевку по химии
10.10.2019
Александр Буланов, Анна Урманцева

Престижный приз за вклад в разработку литий-ионных аккумуляторов получили Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино


Фото: REUTERS/TT News Agency/Naina Helen Jama

Нобелевской премии по химии в 2019 году удостоились учёные, внесшие основной вклад в разработку литий-ионных батарей, использование которых помогло создать компактные телефоны, ноутбуки и электромобили. Главный научный приз был разделён между первооткрывателем этих аккумуляторов британским химиком Стэнли Уиттингемом, развившим его идеи американским физиком Джоном Гуденафом и японским химиком Акирой Йошино, который создал первый промышленный образец нового устройства и запустил его массовое производство. Таким образом, сегодня каждый человек на земле, использующий мобильный телефон, держит в руках открытие нобелиатов-2019.

ТРИ СТОЛПА НОБЕЛЕВКИ

В 70-е годы прошлого века выбор аккумуляторов был крайне узок - львиную долю рынка занимали практически безальтернативные свинцовые системы, различные вариации которых на тот момент использовались уже около 150 лет. Однако они были очень тяжёлыми и не давали возможности для развития портативной электроники.

В таких условиях разработка лёгких и ёмких батарей стала одной из важнейших задач, решение которой началось с открытия англичанина Майкла Стэнли Уиттингема, создавшего первый в мире заряжаемый аккумулятор на основе лития. Однако первоначальный образец батареи был далёк от совершенства и требовал появления новых материалов, которые улучшили бы её электрические характеристики.

Сделать это позволили исследования американского учёного Джона Гуденафа.

- Он приспособил для применения в аккумуляторах катоды на основе весьма неожиданного для учёных того времени материала - литий-железо-фосфата, который в обычных условиях обладает очень плохой ионной и электронной проводимостью, - рассказал директор центра компетенций "Новые мобильные источники энергии" ИПХФ РАН Юрий Добровольский.

В результате учёным удалось получить новые аккумуляторы, которые втрое превосходили аналоги по электрической ёмкости на килограмм веса. Однако, добившись высоких характеристик, исследователи столкнулись с опасностью возгорания батареи, основной причиной которого было использование взрывоопасного металлического лития в качестве отрицательного электрода (анода). Решением проблемы стало изобретение углеродных электродов с внедрёнными в них ионами металлического лития, которые уже не представляли опасности. В результате батареи превратились в литий-ионные и стали пригодны для внедрения в промышленность.

Добиться этого удалось Акире Йошино, создавшему первую полноценную литий-ионную батарею на основе кобальтата лития. Он запустил и массовый выпуск этих аккумуляторов, который начался в 1986 году.

- Путь от предложенного Гуденафом кобальтата лития в качестве материала для катода до созданного первого промышленного образца батареи был пройден всего за пять лет. Это можно считать рекордной скоростью внедрения идей высокой науки в практику, - считает руководитель группы материалов для литий-ионных аккумуляторов Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН Нина Косова.

ТЯГЛОВАЯ БАТАРЕЙКА

Впоследствии возникла и необходимость создания более мощных батарей для электродвигателей (в том числе автомобильных), что повлекло внедрение в них альтернативных материалов.

- Решить эту задачу получилось с помощью железо-фосфатных материалов, которые способны быстро впитывать и отдавать энергию. Это необходимо, например, для интенсивного разгона автомобиля, - отметил приглашённый эксперт кафедры физической химии НИТУ "МИСиС" Алексей Юдин.

- Любопытно, что в качестве дальнейшего развития технологии учёные видят уход от металла, давшего название новым батареям (лития) и переход на натрий-ионные и калий-ионные устройства. Стоимость необходимых для них элементов в разы ниже, - отметил профессор Сколковского университета науки и технологий Артём Абакумов.

При этом в передовых устройствах будут использоваться те же научные принципы, которые были открыты и развиты нобелевскими лауреатами. К слову, каждый из них тоже демонстрирует удивительные качества научного долгожительства.

ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ УЧЁНЫЕ

Например, 97-летний Джон Гуденаф, родившийся в Германии ещё до прихода к власти Гитлера и переехавший с родителями в США, сегодня является старейшим нобелиатом на протяжении всей истории премии.

Он знаменит не только высказыванием: "У меня ещё есть время на открытия. Мне всего лишь 92", но и своим смехом, который явно стоит услышать. Для этого нужно просто набрать в поисковике "Джон Гуденаф. Смеяться".

Несмотря на то что в детстве и юности Гуденаф не проявлял интереса к науке, его путь в итоге прошёл через Чикагский университет и обучение у Энрико Ферми. В свои 97 профессор каждый день ходит на работу в лабораторию в Техасе. Сейчас, по информации газеты The Guardian, он находится в Лондоне и готовится отпраздновать получение премии.

- Я не знал, что инженеры-электрики будут делать с созданной мною батареей. Я действительно не ожидал нашествия мобильных телефонов, видеокамер и всего остального, - сказал он в недавнем интервью The Times.

77-летний Стэнли Уиттингем, по информации АР, после присуждения премии заявил: теперь ему нужно поблагодарить так много людей, что он не знает, с кого начать. Профессор живёт в Нью-Йорке, но на этой неделе, как и его коллега, находится в Европе на конференции.

А вот до 71-летнего Акиры Йошино удалось дозвониться прямо во время стокгольмской пресс-конференции. Он был очень удивлён, но сказал, что был уверен: за литий-ионные батареи когда-нибудь присудят Нобелевскую премию. Однако он никогда не думал, что это будет так скоро: "Сюрприз, сюрприз!"

Подводя итог, можно сказать, что, создав перезаряжаемые устройства, нобелиаты открыли новый источник энергии и для своей жизни.

Источник: Известия

Читайте другие наши материалы