История одной батарейки, удостоившейся премии Нобеля

В завещании АЛЬФРЕДА НОБЕЛЯ говорится, что ежегодные премии, носящие его имя, должны вручаться тем, кто "принес наибольшую пользу человечеству", а научные премии имеют тенденцию попадать в руки тех, кто достиг значительных, глубоких успехов в области познания. Не так с премией по химии в этом году. Три исследователя - два из Америки и один из Японии - получили награды за свою работу по разработке литий-ионной батареи.

Литиево-ионные батареи изменили представления общества о заряде, потому что они легкие и перезаряжаемые. Поэтому они славятся повсеместным применением во всем - от мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков до электромобилей. В будущем они могут также сыграть важную роль в хранении периодически поступающей энергии, производимой из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца, поскольку мир пытается отойти от ископаемых видов топлива.

Литий - самый легкий металл в периодической таблице (он будет плавать по воде, хотя и недолго, так как является одним из самых реактивных и быстро превращается в гидроксид лития), а его атомы содержат три электрона. Две плотно связаны с ядром, но третья легко смещается, создавая положительно заряженный литиевый ион.

Начало производства батареи из лития и его ионов было положено в 1970-х годах, когда мир был охвачен нефтяным кризисом. Крупная нефтяная компания Exxon была заинтересована в разработке источников энергии, не связанных с нефтью, и один из лауреатов этого года, Стэнли Уиттингем, в то время работал в исследовательском подразделении компании. Он расследовал потенциальные сверхпроводники. В частности, его интересовали твердые материалы, содержащие пространства размером с атом. Когда ионы попадают в эти пространства - явление, называемое интеркаляцией - некоторые свойства твердого материала, такие как его проводимость, меняются.

Доктор Уиттингем обнаружил, что при интеркалировании ионов лития в вещество, называемое дисульфидом титана, при взаимодействии между ними накапливается полезное количество энергии. Используя металлический литий в качестве анода и дисульфид титана в качестве катода, он создал перезаряжаемую батарею, работавшую при комнатной температуре. В нем ионизируется литий на аноде. Образующиеся таким образом ионы затем перемещаются от анода через промежуточный электролит в пространство катода дисульфида титана. Освобожденные электроны, тем временем, проходят через внешнюю цепь для создания электрического тока, который может быть использован для выполнения работы. Во время цикла зарядки внешний ток меняется на обратный, и ионы лития в ответ возвращаются обратно через электролит.

Сначала компания Exxon решила, что у батареи большой потенциал, и решила начать ее коммерциализацию. Но когда цены на нефть упали, компания потеряла интерес. Именно тогда второй лауреат премии по химии этого года Джон Гуденаф, работавший в Оксфордском университете, натолкнулся на эту идею и решил попытаться усовершенствовать ее. В 1980 году он обнаружил, что, заменив дисульфид титана в катоде на оксид кобальта, он может удвоить выходное напряжение.

Акира Йошино, третий лауреат, воспользовался идеей доктора Гуденау и превратил ее в современную батарею, которая находится внутри компьютеров и телефонов во всем мире. В 1980-х годах он работал в корпорации Asahi Kasei в Японии, в тот момент, когда компании, занимающиеся электроникой, проявляли все больший интерес к легковесным аккумуляторам, которые могли бы использоваться в новых электронных устройствах, таких как видеокамеры и беспроводные телефоны. Доктор Йошино был доволен катодом доктора Гуденоу, но считал, что анод нуждается в переработке.

Вместо лития он попробовал различные углеродосодержащие материалы, которые могут содержать ионы лития. Он нашел успех в нефтяном коксе, побочном продукте индустрии ископаемого топлива. Это, как он обнаружил, может вместить такие ионы в изобилии. Его конструкция была не только более безопасной, чем использование чистого литиевого анода (литий имеет тревожную тенденцию загораться), но и более продолжительной. В версии батареи Йошино и анод, и катод имеют длительный срок службы, поскольку не повреждены химическими реакциями при использовании или перезарядке батареи. К 1991 году первая литий-ионная батарея на основе дизайна доктора Йошино была продана компанией Sony, специализирующейся на производстве электроники.

Выступая на пресс-конференции вскоре после вручения премии, доктор Йошино сказал, что в 1980-х годах он продолжал свои исследования исключительно для того, чтобы удовлетворить свое любопытство, не задумываясь о том, будут ли его изобретения когда-нибудь полезны. Учитывая последующее (и продолжающееся) значение литий-ионной батареи, любопытство доктора Йошино привело к выполнению нобелевской воли в соответствии с письмом, о котором мы упомянули в начале.