Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена пионерам исследований в области разработки литий-ионной батареи — изобретения, которое стало повсеместным и незаменимым в беспроводной электронике: в телефонах, планшетах, ноутбуках и даже автомобилях.
Легкие и более компактные, чем их предшественники, литий-ионные аккумуляторы теперь выходят из зоны гаджетов. Они используются для питания домов, самолетов и даже для электроснабжения целых городов. Именно за идею и разработку ионно-литиевых батарей Нобелевская премия по химии 2019 года была вручена трем химикам: Стэнли Уиттингему из Государственного университета Нью-Йорка в Бингемтоне, Джону Гудену из Техасского университета в Остине и Акире Йошина из Асахи Касей Корпорейшн в Токио.
Практически все батареи имеют три основных элемента: два электрода — анод и катод — разделенные электролитом. В современных литий-ионных элементах электролит обычно представляет собой жидкость, которая позволяет ионам лития перемещаться между электродами взад-вперед. Когда батарея обеспечивает электричество, атомы лития на аноде испускают электроны, протекающие через внешний провод. Положительно заряженные ионы лития мигрируют через электролит к катоду, где они осаждаются между катодными слоями, изготовленными из оксида металла. Применение электрического напряжения для зарядки батареи меняет направление потока, выталкивая ионы лития из оксида металла, через электролит и обратно к аноду, откуда они восстанавливают электроны.
В 1970-х годах, когда Стэнли Уиттингем работал в Exxon Research & Engineering Company, все батареи использовали другие, менее эффективные материалы в электродах: свинец, никель, кадмий. Уиттингем попробовал что-то новое: комбинацию катода из слоистого материала, называемого дисульфидом тантала (TaS2), с литиевым анодом, который легко испускает электроны и создает ионы, которые могут втиснуться в слои TaS2. Такая батарея может хранить много энергии. Exxon не смогла коммерциализировать изобретение, потому что повторная зарядка отложила на воде тонкие литиевые усы, называемые дендритами, что привело к короткому замыканию и воспламенению некоторых батарей.
Джон Гуденоу (тогда работавший в Оксфордском университете в Великобритании) принял вызов. Он понял, что катод мог бы поглощать больше электронов, если бы он был сделан из оксида металла вместо сульфида металла. Некоторые из них оказались нестабильными. Он также обнаружил, что добавление кобальта к катоду помогает стабилизировать его слои. В 1980 году он описал батарею, которая может выдавать 4 Вольт, что делает ее почти в два раза мощнее, чем батарея Уиттингема.
Образование дендритов на анодах из металлического лития все еще оставалось серьезной проблемой. Ученые показали, что они могут производить графитовые аноды, потому что атомы лития могут втиснуться в углеродные слои. Графит, однако, постоянно разлагался в электролите батареи.
В середине 1980-х Акира Ёсино обнаружил, что если бы он использовал электролит, содержащий этиленкарбонат, тонкий слой изоляции, сформированный на поверхности графита, это защитило бы его от деградации. В 1991 году Asahi Kasei и Sony выпустили первый коммерческий литий-ионный аккумулятор, который, в частности, работал на портативных музыкальных проигрывателях.
Первые элементы нового типа могли хранить в два раза больше энергии, чем предыдущие лучшие батареи. Дальнейшие усовершенствования увеличили емкость накопления энергии литий-ионных элементов в три раза.
Исследователи батареи все еще работают над улучшениями, в том числе избавиться от кобальта, не только очень дорогого металла, но и часто добываемого несовершеннолетними работниками в Демократической Республике Конго — стране, которая обеспечивает около 70% мировых запасов кобальта. Современные литий-ионные батареи снижают потребность в кобальте, смешивая его с марганцем и никелем, но для стабилизации слоистого катода все еще требуется некоторое количество кобальта.
Другое важное направление исследований — замена жидких электролитов полимерами и другими твердыми материалами. Улучшенные твердые электролиты могут позволить ученым вернуться к использованию твердых литиевых анодов, не опасаясь создания дендритов.