Начало статьи читайте здесь
Всё еще взрывается?
Между тем металлический литий оставался постоянной проблемой - также потому, что ранее неожиданный эффект мешал разработчикам. Они быстро поняли, что с каждым новым циклом зарядки кристаллы лития начинали покрывать электроды. Как только эти структуры, называемые дендритами, соединили оба электрода, произошло короткое замыкание, в результате которого батареи сгорели. В конце концов, литий снова взял верх над учеными.
Другие, однако, продолжали верить в эту концепцию - и продолжили поиск еще лучших катодных материалов. Со-лауреат Уиттигэма Джон Б. Гуденоу, тогда в Оксфордском университете, увидел огромный потенциал в работе Уиттингема. Однако вместо сульфидов он выбрал оксиды, то есть соединения, в которых присутствовали меньшие атомы кислорода вместо относительно больших атомов серы.
Согласно его гипотезе, это изменение было направлено на улучшение включения ионов лития: атомы кислорода меньше, чем более толстые атомы серы, и, кроме того, привлекают больше своих электронов; по этим двум причинам они должны легче размещать положительно заряженные частицы в своей решетке.
Решающее преимущество: при хранении ионов лития высвобождается больше энергии, что увеличивает напряжение, создаваемое аккумулятором. Фактически, в 1979 году Гуденоу нашел подходящий материал — диоксид кобальта. Он имеет ту же структуру, что и дисульфид титана, но обеспечивает больше энергии.
В сочетании с литиевым электродом он достигает напряжения до 5 вольт. В современных ионно-литиевых батареях в основном используются разработки оригинального катода CoO 2 со смесями никеля, марганца и кобальта.
С новыми тканями основное предположение, которое делало всю концепцию не только неудобной, но и взрывоопасной, внезапно устарело: батарея больше не обязана была содержать металлический литий. С такими мощными электродами больше не нужен непредсказуемый металл для генерации высокого напряжения. Гуденоу продемонстрировал это, заменив литиевый электрод диоксидом ванадия, который содержал небольшое количество интеркалированного лития.
Вдохновленный этим, он начал поиск другого способа переноса частиц лития. В результате мы получили схему, которая взаимодействует не с металлическим литием напрямую, а только с его ионами, которые перемещаются взад и вперед по специальным электродам. Отсюда и название существующей ныне батареи.
Аккумулятор без металлического лития
Чтобы построить такую концепцию требовалась долгая работа с материалами для покрытия электродов. Наиболее известным материалом для электропроводного слоя является графит, который в то же время был известен своими незаурядными свойствами хранения ионов.
Но это очевидное решение оказалось слишком хорошим, чтобы быть правдой. Ионы металлов осаждались между слоями не так легко, как с другими материалами электродного слоя, и они менее охотно выходили снова.
Что еще хуже, карбонаты, которые раньше были такими надежными, которые ранее без проблем передавали литий от одного электрода к другому, в свою очередь, начали проникать между слоями и раздвигать их друг от друга. Графитовые электроды становились непригодными для использования после нескольких циклов зарядки.
В 1980-х годах третий Нобелевский лауреат Акира Йошино в корпорации Asahi Kasei пришел к выводу, что слои чистого углерода открывают наилучшие возможности - несмотря на непригодность графита.
Графитоподобные структуры слоев встречаются во многих формах. Сначала Йошино попробовал углеродные волокна, которые он выращивал в вакууме, чтобы придать им структуры, которые были как можно более упорядочены. Если бы он успешно справился с этим сложным процессом, батареи, вероятно, были бы сегодня намного дороже. Но этого не произошло, потому что рабочая группа сорвала куш на другом – нефтяном коксе.
Полезные отходы
Нефтяной кокс образуется при переработке сырой нефти и по сути своей является отходами. Но после термической обработки этот материал сочетает в себе все требуемые свойства: он содержит графитовые области, которые связывают большое количество ионов лития, но в то же время также неупорядоченные зоны, которые, по-видимому, стабилизируют графит и предотвращают его распад. Он все еще испускает гораздо более легкодоступные электроны, чем другой электрод, например, из оксида кобальта, и, следовательно, может обеспечить много энергии.
Используя эти два материала, Йошино разработал первую литий-ионную батарею, которая не содержала металлический литий; теоретически не взрывоопасную. Тем не менее, химик был слишком осторожен, чтобы проводить открытый эксперимент. Он проверил теоретический прогноз с помощью специально созданного тестера, который сбросил тяжелый вес на недавно разработанную батарею. Разумеется, дистанционно.
Его батарея прошла испытание без взрывов, старые металлосодержащие конструкции работали хуже. В 1991 году на рынок поступила первая литий-ионная батарея модели Йошино. Он проложил путь к легким электронным устройствам, таким как ноутбуки, но также и к хваленой электромобильности.
При этом батареи не могут полностью отрицать свое взрывоопасное наследие. Хотя батареи больше не содержат высокореактивный металл, взрывы все еще происходят снова и снова из-за высокоэнергетических электродных материалов.
Например, ныне печально известная модель смартфона крупного производителя, которую поспешно отозвали из продажи. Даже батареи для ноутбуков могут вызвать проблемы, а в 2013 году даже загорелся аккумулятор в Боинге 787. Непокорный литий до сих пор не совсем приручен.