Авторизация

Сайт Владимира Кудрявцева

Возьми себя в руки и сотвори чудо!
 
{speedbar}

Смерть нефтяного Кощея в маленькой коробочке, которая изменила мир?

  • Закладки: 
  • Просмотров: 167
  •  
    • 0

Нобелевка за смартфоны и мир без горючего. За что дали главную награду в химии



9.10.2019

"Революция смартфонов" и отказ от ископаемого топлива были бы невозможны без изобретения устройства, которое способно хранить в себе энергию. Стандарт современного рыночного аккумулятора для цифровой техники и электрокаров сейчас — литий-ионный. За него сегодня и вручили Нобелевскую премию по химии.

Эту премию ждали давно. Джон Гуденаф (теперь — самый старый лауреат в истории премии, ему 97), Стэнли Уиттинхэм и Акира Ёсино получили сегодня Нобелевку за "создание перезаряжаемого мира", дает формулировку Нобелевский комитет. Именно этих ученых отныне следует считать "отцами" литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионный аккумулятор — небольшая вещица, на создание которой ушло около 20 лет. Два электрода, разделенные полупроницамой мембраной и залитые электропроводящим раствором. Маленькая плоская коробочка, изменившая мир.

Идея использовать в батарейке литий принадлежит Стэнли Уиттинхэму. Использовать в качестве "напарника" литию оксид кобальта (CoO2) — Джону Гуденафу. А Акира Ёсино, оперевшись на разработки своих предшественников, избавился от литиевого электрода и заменил его сначала электродом из нефтяного кокса, а потом графитовым, а литий "спрятал" в оксиде кобальта (т.е. "заряженном" варианте электрода Гуденафа, состоянии LiCoO2). Тут надо отметить, что идея с графитом вообще принадлежит марокканцу Рашиду Язами. Но именно японец Ёсино довел концепцию литиевой батареи до коммерческого продукта, создав для компании Sony серийный литий-ионный аккумулятор для фотоаппаратов, телефонов и другой техники, — тот вышел на рынок в 1991 году.

Литий — элемент с атомным номером 3, самый легкий металл во Вселенной. Он крайне реактивен, потому что на внешней орбитали его атома ровно один электрон. Готовность лития быть "донором" электронов — а она настолько велика, что чистый литий на воздухе воспламеняется, — и использовали изобретатели литий-ионного аккумулятора.


Любая батарейка использует простую идею — отправить по цепи электроны с отрицательно заряженного электрода к положительно заряженному. Ее реализуют как аккумуляторы, так и одноразовые батарейки. Вся разница — в материалах, которые используются для создания электрического тока в цепи, и в том, что с этими материалами происходит. В "долитиевых" батарейках процесс зарядки и разрядки был сопряжен с химическими реакциями — что-то происходило на одном электроде, из этого получались электроны, те шли во внешнюю цепь (например, питали карманный фонарик) и добирались до другого электрода, где помогали пройти другой реакции. Эти реакции были принципиально необратимы, в процессе электроды разрушались — просто потому, что менялся их химический состав. В литий-ионных аккумуляторах же электроды перестали меняться химически, поэтому их стало возможно заряжать и разряжать многажды.

"Уиттинхэм был первым, кто разработал фундаментальную идею того, что можно использовать [в батареях] явление интеркаляции, — объясняет электрохимик Михаил Воротынцев, профессор РХТУ им. Менделеева. — Все батареи основаны на том, что внутри них обязательно есть движение ионов между двумя электродами. Весь смысл литий-ионников в том, что вместо химической реакции используется интеркаляция".

Главные "рабочие" в современных Li-ion-аккумуляторах — это собственно ионы лития. Когда заряженную батарею подключают к устройству, "кобальтовый" электрод, на котором сидят атомы лития, становится "плюсом", а графит — "минусом". Атомы лития отцепляются от оксида кобальта, оставляя тому свой электрон, и в виде положительно заряженных ионов двигаются к графитовому электроду, а оксид кобальта — отдает освободившиеся в результате их расставания электроны во внешнюю цепь, таким образом питая устройство, к которому подключен аккумулятор. Пробежавшись по цепи и совершив работу, электроны прибывают к другому электроду, где помогают ионам лития стать с графитом одним целым. Так аккумулятор генерирует электрический ток, нужный для работы того или иного устройства.

При зарядке аккумулятора — подаче обратного напряжения на аккумулятор — оксид кобальта притягивает литий обратно.

Порядок сборки

Первый литиевый аккумулятор — дело рук Уиттинхэма — возник не на пустом месте. Его ученый собрал в 1970-е годы, будучи сотрудником нефтяной компании Exxon. Тогда в США бушевал самый тяжелый кризис со времен Великой депрессии: цены на нефть подскочили, президент Картер создал министерство энергетики, установил на Белый дом солнечные панели и заявил, что американцы должны слезть с нефтяной иглы. На кризис отреагировал бизнес, который вложился в исследования альтернатив ископаемому топливу: многие разработки, нашедшие сейчас применение в электронике и "зеленой" энергетике, берут начало в этом десятилетии. Примечательно, что тогда же начала заниматься своими "зелеными" изысканиями и лауреатка химической Нобелевки предыдущего года Фрэнсис Арнольд (правда, премию она получила не за солнечные панели, а за совсем другие исследования).

Один электрод у аккумулятора Уиттинхэма был литиевый, другой из дисульфида титана. Он хорошо запасал энергию, но не был лишен и недостатков. Во-первых, через некоторое число циклов зарядки-разрядки литиевый электрод выпускал отросток в сторону титанового "коллеги", который удлинялся с каждым следующим циклом. Когда "дентдит" добирался до своей цели, происходило короткое замыкание — аккумулятор плавился и мог загореться. Помимо этого аккумуляторы Уиттенхэма не могли поддерживать напряжение больше двух вольт, поэтому питать могли лишь маломощные устройства вроде электронных часов. Exxon, поначалу наладившая коммерческий выпуск аккумуляторов Уиттинхэма, быстро в них разочаровалась и свернула исследования.

"Уиттинхэм придумал тип электрода, а дальше начали искать системы, которые подходят [для реализации этого принципа] лучше, — продолжает Воротынцев. — И Гуденаф придумал использовать оксид кобальта. Это резко увеличило [электрический] потенциал, который вы получаете: вместо двух вольт — четыре".

Завоевание Гуденафа — в том, что он сначала предсказал, а затем экспериментально подтвердил, что LiCoO2 может использоваться в качестве катодного материала для аккумуляторов с высокой удельной энергией, подтверждает Евгений Антипов, заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ.

"Свинцово-кислотный аккумулятор (как в обычных автомобилях — прим. ТАСС), ну, — это сорок ватт-час на килограмм, плюс-минус, — объясняет ученый, — а литий-ионный аккумулятор — это 250 ватт-час на килограмм. То есть вы запасаете в шесть раз больше энергии".

Но для того, чтобы довести проект Li-ion до конца, потребовалось еще несколько лет — и еще один ученый. Уиттинхэм и Гуденаф к 1980-м годам не стали продолжать свои исследования: экономическая обстановка изменилась, нефть подешевела, солнечные панели Картера сняли с крыши Белого дома, и интерес большого бизнеса к инновациям в энергетике спал. Дело американских исследователей продолжилось на Востоке, в Японии — усилиями Акиры Ёсино, который всю жизнь проработал в компании Sony. Японский техногигант в те времена отчаянно нуждался в легких и многоразовых аккумуляторах, от которых он мог бы запитать свои видео- и фотокамеры и беспроводные телефоны.

Ёсино наконец избавился от чистого лития в аккумуляторе. Он — почувствуйте иронию! — догадался использовать в качестве электрода нефтяной кокс, твердый остаток вторичной переработки нефти (той самой, с зависимостью человечества от которой электрохимики боролись). У него получился легкий, энергоемкий и мощный аккумулятор, который можно было многократно перезаряжать. Кроме того, поскольку в аккумуляторе Ёсино уже не было чистого лития, он был безопасен в быту: его можно было ронять и бить, не опасаясь воспламенения.

"Интересно, что Sony выбрала этот путь, а другая японская компания выбрала другой тип аккумуляторов, литий-металл-гидридные, — отмечает Антипов, — но в результате вы видите, что литий-ионные сейчас доминируют".

Литий-ионный мир

Сегодня литий-ионные аккумуляторы стоят во всех мобильных гаджетах, которыми мы пользуемся. Цена на кобальт и литий, основные компоненты этих аккумуляторов, взлетела за 90-е на порядки, а поставки их стали для некоторых стран крайне важным источником дохода, как, например, Конго, где кобальт иногда добывают женщины и дети под присмотром людей с оружием в руках.

Потребность мировой экономики в литии, кобальте и графите продолжает увеличиваться: эксперты прогнозируют, что уже в 2022 году объем рынка аккумуляторов для электромобилей обгонит рынок прочей потребительской экономики.

Нобелевское изобретение Уиттенхэма, Гуденафа и Ёсино больше всего пригодилось в двух сферах: портативной технике и транспорте с электрическими двигателями.


"Это технология, на основе которой могут развиваться другие технологии, — объясняет директор Центра энергетических наук и технологий Сколтеха Артем Абакумов. — Например, современный смартфон сочетает в себе огромное количество решений: микроэлектроника, прием-передача сигналов, производство экранов и корпусов, программирование. Но если мы вытащим оттуда литий-ионный аккумулятор, то заменить его будет решительно нечем".

Еще одно перспективное применение таких аккумуляторов — в электросетях с возобновляемыми источниками энергии. Эффективность ветряков зависит от погоды, солнечные панели простаивают в темное время суток и менее эффективны зимой, когда день короче, но именно в это время нужно освещать улицы, офисы, дома и включать отопление. Литий победил?

"Лития на Земле сравнительно мало, и он дорогой, — говорит Воротынцев. — Поэтому сейчас [ученые] пытаются заниматься тем, чтобы вместо ионов лития были ионы натрия или калия, или магния, или алюминия. Дело не только в цене, если бы его вообще хватало! Если все сейчас у нас перевести на литий-ионику, лития на всей Земле не хватит".

Почти половина всего лития добывается сейчас в трех странах — Чили, Аргентине и Боливии. Там из-под земли выкачивают огромное количество рассола, который затем фильтруют, чтобы получить литий. Для того чтобы "намыть" одну тонну, прокачивают 2 млн литров воды — при этом прииски расположены в засушливых регионах. Добытчиками недовольны местные жители, тревожатся экологи, но ценность металла пока перевешивает. Что случится раньше: разорение этих земель или смена энергетической парадигмы?

Дело, впрочем, не только в недостатке ценных металлов или их добыче на фоне гуманитарной катастрофы. У самого аккумулятора тоже есть слабые стороны. Да, избавившись от металлического лития в конструкции, Ёсино сделал Li-ion безопаснее в разы — но никто не застрахован от брака и неудачных инноваций: вспомните полный отзыв Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году из-за того, что новые смартфоны начали спонтанно взрываться (пресс-служба компании в письме ТАСС заявила, что теперь батареи проходят восьмиступенчатую проверку).

Поэтому сейчас электрохимики всего мира занимаются поисками альтернативных материалов для аккумуляторов. Даже в России таких научных групп достаточно много.

"Сейчас появляется новая область, натрий-ионные аккумуляторы, — говорит Антипов. — Вот у меня есть крупный проект — по созданию фундаментальных основ технологий натрий-ионных аккумуляторов. Наши, российские, фонды очень внимательно относятся и финансируют эти проекты. Потому что это накопители энергии, которые выйдут на рынок, это близкое будущее".

По мнению Артема Абакумова, такие аккумуляторы больше всего могут быть востребованы в возобновляемой энергетике, а не в портативной электронике или транспорте.

Впрочем, для этого необходим и соответствующий экономический контекст. Уиттинхэм показал потенциал лития еще в 70-е, но не довел дело до коммерческого продукта, потому что нефтяники вновь разбогатели и перестали интересоваться альтернативами ископаемому топливу. Цена на литий, может, и подскочила, но критический порог, кажется, пока не прошла.

"Вот все говорили, что литий будет дорожать, поэтому надо делать другие аккумуляторы, — говорит Абакумов. — А литий ведет себя по-другому. Цена с 2015 по 2019 год ведет себя как синусоида. Она колебалась от $10 тыс. до $30 тыс. за тонну. Сейчас она на минимуме, год назад была на максимуме. Мы ждем одного от рынка, а он иногда показывает совсем другие цифры. При такой динамике возникает закономерный вопрос: пришло ли время для новой технологии или еще пока нет?"

Иван Шунин, Марат Кузаев

www.tass.ru




  • Опубликовал: vtkud
Читайте другие статьи:
В Гонконге вручена "Нобелевка" в сфере образования
17-12-2018
В Гонконге вручена "Нобелевка" в сфере образования

Гонконге вручили премии Идана – престижные награды в области образования, которые сравнивают с Нобелевской премией
Открытие зеленого флуорецирующего белка удостоено Нобелевской премии
08-10-2008
Открытие зеленого флуорецирующего белка удостоено

Нобелевские лауреаты-2008: физика
08-10-2008
Нобелевские лауреаты-2008: физика

  • Календарь
  • Архив
«    Декабрь 2019    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031 
Декабрь 2019 (16)
Ноябрь 2019 (59)
Октябрь 2019 (67)
Сентябрь 2019 (42)
Август 2019 (43)
Июль 2019 (41)
Наши колумнисты
Андрей Дьяченко Ольга Меркулова Илья Раскин Светлана Седун Александр Суворов
У нас
Облако тегов
  • Реклама
  • Статистика
  • Яндекс.Метрика
Блогосфера
вверх