Литий является идеальным металлом для хранения энергии, но, к сожалению, он очень реактивный. Потребовалось почти 30 лет, чтобы взять под контроль этот взрывной недостаток.
Некоторые элементы периодической таблицы точно не хочется иметь в кармане. Одним из таких является чрезмерно активный литий. Но ровно по этой же причине без него сейчас не обойтись. Самый легкий металл периодической таблицы отдает свою энергию так же легко. Тот факт, что литий-ионные аккумуляторы до сих пор используются в большинстве портативных электронных устройств, объясняется тем, что три лауреата Нобелевской премии нашли способ использовать его без угрозы взрыва.
Однако не все так безоблачно как может показаться на первый взгляд. Периодически в заголовках проскакивают сообщения о том, как батарея того или иного гаджета загорелась, будь то электросамокат или даже Тесла. Но это происходит не потому, что аварии такие частые, напротив, их количество ничтожно мало по сравнению с тем количеством лития, которое мы используем ежедневно.
Принцип, лежащий в основе литий-ионной батареи, гальванического элемента, был известен на протяжении веков. В своем первоначальном виде он состоял из двух металлов, которые были разделены пропитанным водой материалом - что крайне важно, одна сторона этого сэндвича имеет более высокую склонность к высвобождению электронов, другая, наоборот.
Если вы затем соедините обе стороны проводником, вы получите схему, в которой движущиеся электроны могут работать. Они приводятся в действие химическими реакциями в двух половинах гальванического элемента: менее благородный элемент выпускает электроны в цепь и положительно заряженные ионы металла в жидкость, в то время как электроны перетекают в более благородный металл и также вызывают химическую реакцию там.
Почти нормальная батарея
Физически литий является идеальным элементом для батареи - из всех своих собратьев он имеет самую сильную тенденцию высвобождать электроны, создающие напряжение. В то же время, это самый легкий металл и выделяет много энергии пропорционально своему весу
Кроме того, батарея является перезаряжаемой, если все реакции протекают в обратном направлении. Все эти особенности делают литиевые батареи очень привлекательным источником энергии. Недостатком, однако, является то, что литий реагирует в элементарной форме с воздухом или водой, и это может быть довольно серьезной угрозой. Долгое время предпочитали строить такие батареи из более дружественных элементов.
Укрощение лития началось в 1960-х годах, и первым шагом стала его полная изоляция от воздуха и воды. Однако ранее вряд ли можно было обойтись без постройки аккумуляторов на воде.
Потому что, когда металл испускает отрицательно заряженные электроны в цепь, положительно заряженные атомы лития, называемые ионами, остаются позади. Затем они должны мигрировать на противоположный электрод, чтобы компенсировать заряды входящих электронов.
Ионы мигрируют лучше всего, когда они растворяются в жидкости, поэтому в устаревших образцах батарей использовалась именно вода. Были попытки использовать использовать другие электролиты, но они не увенчались успехом. Ситуация изменилась примерно в 1960 году, когда специалисты разработали первые органические жидкости, в которых растворяются ионы металлов.
Это были карбонаты - не соли металлов, такие как карбонат натрия или известь, но соединения, в которых неорганическая карбонатная группа связана с группой углерода и водорода. Вещества, такие как этиленкарбонат, по-прежнему содержат одноименные ионы лития.
Пионерам технологии казалось очевидным, что один из двух электродов должен быть изготовлен из металлического лития - поэтому они сфокусировались на другой половине батареи, на материале, который должен принимать поток электронов. В идеале, он должен иметь возможность легко загружать и выгружать ионы лития, не причиняя им вреда, не поглощая нежелательные вещества и не слишком плотно связывая попадающие в него частицы.
Слоистые материалы
Благоприятными кандидатами для этого являются материалы со слоистыми структурами: твердые вещества из слоев, уложенных друг на друга, которые имеют только низкие силы связи между ними и могут легко перемещаться относительно друг друга. Между отдельными слоями посторонние ионы могут оставаться гостями и снова покидать своё пристанище.
Стэнли Уиттингем, получивший Нобелевскую премию, наконец-то столкнулся с чрезвычайно подходящим дисульфидом титана: TiS 2 , который был легким, электропроводящим, и ионы лития могли в нем хорошо диффундировать. Фактически, материал легко вводит в него ионы лития, а именно до тех пор, пока не будет получена литиевая частица для каждой единицы TiS 2 , то есть достигнута формула Li 1 TiS 2 .
Можно представить структуру дисульфида титана как решетку отрицательно заряженных сульфид-ионов (S 2- ), содержащих положительно заряженные ионы титана 4+ во всех остальных слоях. Таким образом, между титансодержащими слоями достаточно места для поглощения других веществ.
И не только это: хотя ионы внутри отдельных слоев относительно прочно связаны друг с другом, между слоями преобладают только слабые силы. По этой причине ионы лития легко мигрируют в материал и из него.
Уиттингем показал, что ионы лития постепенно занимают свободные места в решетке, пока соединение не содержит ионы лития и титана в равных пропорциях. Чтобы сбалансировать положительный заряд внедренных частиц Li + , ионы титана поглощают такое же количество электронов из цепи.
Вместимость электронов повысилась, но было и еще кое-что. Самый главный эффект, которого пытались добиться ученые: если вы меняете направление тока, химическая реакция также идет в обратном направлении - аккумулятор перезаряжается.
В 1976 году Уиттингем, который занимался исследованиями для энергетической компании Exxon, использовал этот многообещающий материал для создания первой перезаряжаемой батареи LiSi с электродом TiS 2 .
Все признаки указывали на успех: элемент достиг напряжения 2,5 В, а с оптимизированными электролитами и улучшенным катодом батарею можно перезаряжать 1100 раз без особых потерь.