История появления литий-ионного аккумулятора, который завоевал мир

Нынешним нобелевским лауреатам по химии удалось решить главную проблему литий-ионных батарей – создать эффективные, долговечные электроды. Иллюстрация с сайта www.nobelprize.org

Нобелевская премия по химии за 2019 год стала единственной из научных премий, которую предугадали эксперты, ставившие на создателей литиевых батарей как наиболее достойных в этом году награды. Ее удостоен интернациональный коллектива. Он состоит из натурализовавшегося в США немца Джона Гуденоу, родившегося в Йене, англичанина Стэнли Уиттингема из Линкольншира и японца Акиры Ёсино, который родился в небольшом городе Суйта неподалеку от Осаки.

Премию им присудили за создание всем хорошо известных литиевых батарей, без которых сегодня не обходятся разного рода гаджеты и девайсы, электромобили и «хранители» энергии, получаемой от возобновляемых источников, например солнечных батарей и ветряков.

Отцом идеи и первого ее воплощения считается Уиттингем, о чем Гуденоу рассказал в своей статье «Как мы сделали литий‑ионную батарею» в журнале Nature Electronics (2108, № 1, 204 p.). Идея создания родилась в 1970‑е на фоне нефтяного кризиса.

Известно, что электроны перемещаются от отрицательно заряженного катода с его избытком электронов к положительно заряженному аноду. Поначалу отец первой литиевой батарейки Стэнли Уиттингем использовал для катода сульфид титана (TiS2) и получил приличный для того времени вольтаж – 2 В. Анод батарейки был сделан из металлического лития. Этот щелочной металл обладает высокой реакционной способностью и активно взаимодействует с водяными парами и кислородом воздуха, что создавало проблемы с безопасностью. (В школьных кабинетах физики куски этого металла хранят в сосудах под слоем керосина.)

Идею подхватил Гуденоу, который еще в 1980 году показал, что использование в качестве катода оксидов металлов, в частности оксида кобальта (СоО), позволяет повысить напряжение до 4 В, то есть в два раза больше. Это было существенным прорывом, позволявшим надеяться на то, что возможны и более мощные батареи литиевого типа. Дело дошло до того, что немца стали называть «убийцей» батареи Уиттингема.

И тут в гонку включился Ёсино. Он заменил оксид кобальта на более сложный по составу оксид лития с тем же кобальтом (LiCoO2) и ввел в электролит полупроницаемую мембрану, препятствующую обратному переносу литиевых ионов от анода к катоду. Батарею японца называют «вторичной» (secondary), потому что ее создатель отталкивался от идей первых двух лауреатов.

Поначалу Акира Ёсино решил использовать для анода токопроводящий полиацетилен, один из электропроводных полимеров. Кстати, за создание этого материала его соотечественник, Хидеки Сиракава, был удостоен Нобелевской премии в 2000 году. Однако полимер оказался слишком рыхлым, что не позволяло уменьшить размеры устройства. Ёсино предложил делать анод из нефтяного кокса, побочного продукта перегонки нефти. Стоит ли говорить, что нефтяники были очень довольны, что электронщики решили тяжелую проблему утилизации отходов.

Сохранение литиевых ионов на аноде требует их удержания в каких‑то сравнимых с ними по размерам структурах. Кокс позволил идеально решить эту проблему, поскольку его слои напоминают графен с шестиуглеродными ячейками‑сотами, в углублении центра которых литий удерживается, как в ложке. Так вторичная литий‑ионная батарея стала вполне подходящей для коммерциализации.

Продажа литий‑ионных батарей началась в 1991 году. Японским и американским производителям батарей удалось убедить производителей ноутбуков и телефонов, что за литий‑ионными аккумуляторами – будущее. Этот факт лишний раз и доказало признание Нобелевского комитета.

Джон Гуденоу, родившийся в 1922 году, оказался самым пожилым из всех лауреатов премии по химии за всю ее историю. Оказавшись с родителями в Америке, он во время войны служил в армии США, но был отозван в тыл, где в 1944 году получил первую степень в Йеле, а затем сменил университеты Чикаго и Пенсильванский, пока не оказался в Техасском в г. Остин. Он был признанным исследователем магнитных материалов и поэтому участвовал в создании магнитных накопителей памяти.

Стэнли Уиттингем родился в военном 1941 году и учился сначала в своем родном Линкольншире, а затем отправился в Оксфорд изучать химию. В 23 года он стал бакалавром, а в 1968 году получил степень доктора. После этого отправился за океан и осел в Университете Нью‑Йорка, что на южной оконечности Манхеттена, где работает и поныне.

Акира Ёсино – самый молодой из троих: он родился в 1948 году. Получив степень в Оакском университете, он пошел в исследовательский центр пивной компании Асахи в Токио, занимая одновременно профессорскую кафедру в Университете г. Нагоя.