В 2019 году Нобелевскую премию по химии вручили Джону Гуденафу (John Goodenough), Стэнли Уиттингему (Stanley Whittingham) и Акире Ёсино (Akira Yoshino) за разработку литий-ионных батарей. Имена лауреатов были объявлены ещё 9 октября, но премия традиционно вручается в Стокгольме (где родился Альфред Нобель) 10 декабря (день его смерти). Премию неспроста получили сразу три человека, ведь это очень точно отражает тот факт, что литий-ионные батареи были придуманы не в одночасье в какой-нибудь случайной лаборатории гением физики, а стали результатом совместной работы мирового учёного сообщества над решением конкретной проблемы. В итоге данное изобретение сильно повлияло на человеческое общество. Оно позволило людям создать такие незаменимые сегодня вещи, как ноутбуки и мобильные телефоны. И до сих пор открывает новые двери, например, литий-ионные батареи стали основным компонентом электромобилей.
Успех литий-ионных батарей можно объяснить, рассказав, как работают батареи. Итальянский физик и химик Алессандро Вольта (Alessandro Volta) в 1800 году поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока. Так появился Вольтов столб, который после ряда усовершенствований в конструкции и существенного увеличения коэффициента полезного действия превратился в батарейку. Состоят батарейки из электролита и двух электродов: анод подключён к отрицательному полюсу, катод — к положительному. Когда батарейка включается в электрическую цепь, материал, из которого состоит анод, начинает окисляться и выделять электроны (отрицательно заряженные частицы). Их вырабатывается так много, что они начинают искать выход и перемещаться в сторону положительного полюса. Там, взаимодействуя с материалом катода, электроны нейтрализуются в результате реакции восстановления. Таким образом, избыток электронов в отрицательном полюсе и их нехватка в положительном приводит к постоянному перераспределению частиц между полюсами, что создаёт электрическое напряжение. Пока батарейка подключена к электрической цепи в ней постоянно протекают окислительно-восстановительные процессы, что негативно влияет на материалы анода и катода. Это, в свою очередь, приводит батарейку в негодность.
Перед тем, как мы поговорим о литии, стоит отметить ещё два важных момента. Чем мощнее внутренняя химическая реакция, тем выше напряжение. Если элементы, из которых состоит батарейка, являются лёгкими и не занимают много места, то плотность энергии (количество энергии на единицу объёма) в ней будет гораздо выше. Литий — это реактивный элемент и самый лёгкий металл периодической системы Менделеева и, исходя из вышеописанного, он хорошо подходит в качестве материала для батареек. Однако, его реактивность, повышающая количество накапливаемой энергии, также затрудняет создание такого элемента, который можно было бы безопасно поддерживать в заряженном состоянии, отводить энергию с помощью электрического тока, а затем возвращать в заряженное состояние.
Британский учёный Стэнли Уиттингем в 70-х годах XX века начал исследовать сверхпроводники и обнаружил чрезвычайно энергоёмкий материал, который он использовал для создания инновационного катода в литиевой батарее. Он был сделан из дисульфида титана (TiS₂), который не только хорошо проводит ток, но и может хранить литий в себе. Когда кусочек лития и кусочек дисульфида титана помещают в электролит, начинается электрохимическая реакция. Литий окисляется, растворяется и заряженные частицы лития (ионы лития) перемещаются в TiS₂. Как уже говорилось выше, электроны от анода перетекают к катоду, и мы получаем ток. Но интересно в этой схеме то, что если поменять ток на обратный, то пойдёт процесс перезарядки. Литий вытесняется из дисульфида титана и снова становится куском металла. Но первый литиевый аккумулятор, который можно было перезаряжать, имел ряд серьёзных недостатков.
Во-первых, одной из особенностей лития является его склонность к образованию иголок и дендритов (длинных ветвящихся структур) во время процесса перезарядки, что может привести к внутренним коротким замыканиям. Аккумулятор мог взрываться, а дисульфид титана при контакте с воздухом выделял сероводород, дышать которым не очень приятно и безопасно. Во-вторых, в 1970 году цена дисульфида титана составляла около тысячи долларов за килограмм (с учётом инфляции, около пяти тысяч долларов). Поэтому компания Exxon, к которой Уиттингем обратился с целью создать из своего аккумулятора коммерческий продукт, от проекта отказалась.
В 1978 году другой британский учёный Джон Гуденаф вместе со свой командой занялся поисками более подходящего материала для катода в литиевых батареях. После серии неудачных экспериментов он предсказал, что катод будет иметь еще больший потенциал, если он будет сделан с использованием оксида металла вместо сульфида металла. К тому же синтезировать оксиды гораздо безопаснее, чем пожароопасные сульфиды. Во время исследований Гуденаф обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует лучшие результаты. Он отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.
Правда, плотность тока оказалась слишком малой, чтобы использование литий-ионных аккумуляторов было экономически оправданным. Тогда команда Гуденафа выдвинула предположение, что при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удастся повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом имея удвоенное напряжение и ёмкость. Оно оказалось верным. Но оставалась последняя проблема — на металлическом литии при перезарядке всё ещё образовывались дендриты, что приводило к коротким замыканиям.
В 1985 году японский химик Акира Ёсино создал первую коммерчески жизнеспособную литий-ионную батарею, использовав в качестве анода графит вместо металлического лития. В таком аккумуляторе литий перемещается между двумя структурами-носителями (оксидом лития-кобальта и графитом) и не существует в металлическом виде, что устраняет образование иголок и дендритов. В результате получился лёгкий, износостойкий аккумулятор, который можно заряжать тысячи раз перед тем, как его характеристики ухудшатся. Ёсино также нашёл способы покрытия материалов активных электродов тонкой металлической фольгой и смог разделить положительные и отрицательные электроды тонкой сеткой. Только так первое поколение литий-ионных батарей смогло конкурировать с никель-металлогидридными батареями, которые доминировали в портативной электронике в начале 1990-х годов. Первый коммерческий литий-ионный аккумулятор появился в Японии в 1991 году, он запитывал видеокамеру.
На сегодняшний день даже самые передовые высокоэнергетические электроды, такие как NMC 811, которые значительно увеличивают дальность хода электромобилей следующего поколения, в основном сделаны из оксида лития-кобальта. Хотя стоит отметить, что многие производители часто стали заменять кобальт никелем и марганцем с аналогичной кристаллической структурой. Это обусловлено тем, что, во-первых, кобальтовые рудники встречаются довольно редко. Так, на 2017 год 59% всего кобальта поставлялось из Конго. Во-вторых, условия труда на этих самых рудниках оставляют желать лучшего. Многие компании критически относятся к экологическим параметрам работы местных шахт, а также условиям труда шахтёров, поэтому ищут возможности избежать использования этого металла.
Если подвести итог, то преимущество литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что они основаны не на химических реакциях, которые разрушают электроды, а на ионах лития, протекающих назад и вперёд между анодом и катодом. Возможность перезарядки и относительная долговечность вывели их на первое место среди подобных устройств. На данный момент это самый популярный тип аккумуляторов. Литий-ионные батареи используются едва ли не во всех электронных приборах: смартфоны, планшеты, смарт-часы, фитнес-трекеры, ноутбуки, беспроводные мыши, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и даже электромобили. Сейчас довольно трудно представить жизнь без этих устройств, так что изобретение литий-ионных батарей отмечено Нобелевским комитетом по праву.
Гуденаф и Ёсино уже получали награды за свои исследования и разработки. Например, в 2014 году им была вручена премия Чарльза Старка Дрэйпера (Charles Stark Draper). Тогда её также получили марокканский учёный Рашид Язами (Rachid Yazami), который в 1980 году обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен, и Ёсио Ниси (Yoshio Nishi), который на данный момент занимается гибкой электроникой. И стоит сказать, что работа над улучшением литий-ионных батарей ведётся по сей день. Институт Фарадея (Faraday Institution) в Англии, Объединённый центр исследований в области накопления энергии (JCESR) в США, европейская инициатива по будущим аккумуляторным технологиям Batteries 2030+ — это лишь верхушка гигантского айсберга заведений, инициатив и проектов, которые существуют в 2019 году благодаря разработкам Нобелевских лауреатов.
