Наука 2019-10-20 20:09 Олег Фея
  ▪  

Літієва доба

Нобелівську премію з хімії отримали Джон Ґудінаф, Стенлі Віттінґем та Акіра Йошино за розробку літій-іонних батарей

Смартфони, ноутбуки, електромобілі, сонячні електростанції та багато іншого — винахід цьогорічних нобелівських лауреатів із хімії можна знайти скрізь у повсякденному житті. Торік світовий ринок літій-іонних батарей сягнув $37,4 млрд із прогнозом зростання до $92 млрд у 2024‑му. Науковці заснували новий багатомільярдний ринок, революціонізували індустрію електронних виробів — саме завдяки ним мобільні пристрої так швидко увійшли в наше життя. 
Літій-іонні батареї — чудовий приклад того, як із фундаментальних відкриттів складається пазл простої, дешевої, доступної та революційної технології. Фізичний принцип роботи будь-якої батареї універсальний і простий. Вона складається з двох електродів: аноду й катоду, що під’єднані до електричного ланцюга та розділені розчином електроліту. Між електродами також розміщують сепаратор, адже при дотику вони створять коротке замикання. Коли батарея працює, розряджається, на аноді відбувається хімічна реакція окислення, у ході якої вивільняються електрони, що живлять електричний ланцюг, а катод «забирає» електрони із мережі. Під час зарядки до батареї прикладається зовнішнє електричне поле, внаслідок чого процес відбувається у зворотному напрямку.  

 

Прототип батареї за цією схемою сконструював ще Алессандро Вольта у 1800 році. «Вольтів стовп» складався з мідних і цинкових дисків, між якими він клав просочену слабким розчином сірчаної кислоти ганчірку. Вольта був першим, хто довів, що в батареї протікає електричний струм. Хоча батарея не перезаряджалася, тримала напругу лише до 1 В, але все ж таки це був технічний прорив, і за демонстрацію винаходу Наполеон Бонапарт дарував Вольті титул графа. 
Уже в середині XIX століття Вільгельм Зінштеден і Гастон Планте реалізували свинцево-кислотну батарею. Вона вже могла перезаряджатися, тримала напругу до 2 В, і сьогодні схожі за принципом батареї поширені як автомобільні акумулятори. Наприкінці століття Вальдемар Юнґер і Томас Едісон спроектували ще дві батареї на основі заліза-нікелю та нікелю-кадмію. 

 

Читайте також: До зірок

 

Мала густина енергії, яку запасають такі батареї, спонукала науковців шукати ще кращі технічні рішення. Так вони звернули увагу на літій. Найлегший метал із низькою густиною (третій елемент періодичної таблиці, легші тільки водень і гелій) та високою реактивністю — літій ідеально підходив як складова частина батарей. До того ж серед усіх металів у нього найнижчий електрохімічний потенціал — він легко приєднує та віддає електрони. Через високу реактивність треба було захистити літій від води й повітря. Розробка не основаних на воді електролітів зайняла час — перший такий розчин, карбонат пропілену, отримали лише в 1958 році. Тепер постало завдання знайти катод у пару до літієвого аноду. У нього мав добре інтеркалювати (інтеркаляція — зворотна вставка молекули або групи в проміжку між двома іншими молекулами або групами) літій, тобто заходити всередину кристалічної ґратки, не змінюючи значним чином її розміру, і так само легко її полишати. 

 

Логічно було використати матеріал, що складається з атомних шарів, між якими міг вільно переміщатися літій. У 1973-му Стенлі Віттінґем, цьогорічний нобеліат, запропонував дисульфід титану — слоїстий матеріал, що міг інтеркалювати значну кількість літію і потім вивільняти його. Через три роки в лабораторії компанії Exxon, де працював Віттінґем, продемонстрували першу літій-іонну батарею. Проте під час експлуатації на поверхні анодів виникали кристали-дендрити з літію, що могли пробити сепаратор, дістатися до катоду й спричинити коротке замикання. Тому перші літієві батареї були вибухонебезпечними. 

 

Читайте також: Фабрики сенсацій

 

Наприкінці 1970-х Джон Ґудінаф, професор неорганічної хімії в Оксфорді, використав як катод замість дисульфіду сірки оксид кобальту. Цей матеріал також мав шарову структуру, у нього легко інтеркалював літій, утворюючи кобальтат літію, до того ж він забезпечував вищу напругу батареї. 97-річний Джон Ґудінаф — найстаріший в історії із нобелівських лауреатів, один із найтитулованіших матеріалознавців світу. У фізиці є назване на його честь правило, а в Британії вручають нагороду його імені за значний внесок у науку про матеріали. Цілком можливо, що саме його вік спонукав Нобелівський комітет видати премію цього року. Під час Другої світової Ґудінаф служив в американській армії як військовий метеоролог, після чого вступив до Чиказького університету, де здобув ступінь доктора філософії з фізики. У Чикаго працював із видатним фізиком Енріке Фермі, а його науковим керівником був Кларенс Зенер, винахідник напівпровідникового діоду свого імені, що широко використовується в електротехніці. 

 

Останній елемент пазла додав у 1985 році працівник японської хімічної корпорації Asahi Kasei Акіра Йошино, який використав коксівне вугілля як анод. У нього могли проникати іони літію, накопичуючись там, і такий анод не створював ризику короткого замикання. Сьогодні замість коксівного вугілля використовують графіт — іони літію під час зарядки батареї проникають між шарами вуглецю, утворюючи з ним хімічні зв’язки (див. «Схема роботи літій-іонної батареї»). Під час розрядки вони вивільняються і повертаються на катод.

 

Схема роботи літій-іонної батареї

 

Враховуючи всі ці відкриття, у 1991-му компанія Sony випустила першу комерційну літій-іонну батарею з напругою 4 В і рекордною на той час густиною енергії 80 Вт∙год на кілограм маси. Це означає, що протягом однієї години кілограмова батарея могла видавати потужність 80 Вт. Завдяки такій густині енергії батареї компактні й потужні. Той самий показник у батарей сучасних смартфонів утричі вищий. На початку року швейцарська компанія Innolith заявила, що створила батарею потужністю 1000 Вт∙год/кг, що дасть змогу електромобілям проїжджати 1000 км на одному заряді. Типова відстань для електромобілів Tesla — приблизно 500 км. 

 

З літій-іонними батареями пов’язаний розвиток зеленої енергетики, зокрема сонячних панелей. Потужні батареї стоять в електроавтомобілях, поширення яких приведе до значного зменшення викидів вуглекислого газу в атмосферу. Розроблена торік Національна транспортна стратегія України зазначає, що до 2030-го весь комунальний транспорт і половина приватного в країні перейде на електроавтомобілі. Та хоча позитивний вплив на екологію літієвих акумуляторів значний, видобуток самого літію, а також необхідного для катодів кобальту — брудний процес. Літій видобувають із магматичних порід пегматитів, а також із ропи — соляних розчинів у водоймищах. Із свердловин у соляних озерах викачують воду, яку заливають у підготовлені штучні басейни й залишають висихати. Щоб отримати 1 т літію, треба випарувати 2 млн т води. Літієві родовища з часом перетворюються на висушену засолену пустелю, що цілковито руйнує тамтешні екосистеми. Такі солончаки — ціна безкарбонового електричного майбутнього. 

 

Читайте також: Відлік ядерної ери

 

У 2018 році у світі видобули 85 тис. т літію, переважно в Австралії, Чилі, Китаї та Аргентині. Близько половини пішло на створення літій-іонних акумуляторів. Поклади літію в Україні ще за радянськими даними оцінюються в 500 тис. — 5 млн т, але його в нас не видобувають через необхідність геологічної розвідки родовищ, значних інвестицій та брак необхідних технологій. Торік спалахнув скандал після того, як Держгеонадра без конкурсу видали ліцензії компаніям «Укрлітійвидобування» та «Петро-Консалтінг». Остання оцінює поклади Шевченківського родовища в Донецькій області в 14 млн т і заявила про плани розпочати видобуток у 2021-му. 

 

Недоліки літій-іонних батарей — залежність від температури, обмежена кількість циклів перезарядки (близько 1000 з урахуванням умов використання), тривалий час зарядки, поступове зменшення ємності, дорожнеча літію, кобальту та пов’язані з їх виробництвом екологічні проблеми — змушують науковців та інженерів шукати нові рішення для зберігання енергії. Одне з перспективних — псевдоконденсатори. Найпростіший конденсатор — дві металеві пластини на невеликій відстані одна від одної, що несуть протилежні заряди. Потужність, що виділяється під час їх розрядки, більша, ніж у батарей, зате густина енергії, що запасається, дуже низька. Ємність конденсатора залежить від площі пластин та відстані між ними. Якщо заповнити простір між пластинами електролітом та активованим вугіллям, вона зросте в мільйони разів. Усе тому, що в активованого вугілля дуже велика питома площа, на яку під дією електричного поля налипатимуть іони електроліту. Так створюють найпростіший суперконденсатор. Але суперконденсатори все ще не годяться на роль акумуляторів — занадто швидко вивільняють запасену енергію. Зате й швидко заряджаються. Цю їхню особливість використовують в електробусах. На заряді від суперконденсаторних батарей він може проїхати лише кілька кілометрів, а потім підзарядитися на зупинці, доки пасажири виходять і заходять. 

 

Псевдоконденсатори значно ближчі до літій-іонних акумуляторів і за густиною енергії, і за швидкістю розрядки. На електроди суперконденсаторів наносять слоїсті матеріали на кшталт двовимірних кристалів — максенів (див. інтерв’ю з Юрієм Гогоці, Тиждень, № 26/2017), у які можуть інтеркалювати іони електролітів, утворюючи з ними хімічні зв’язки та запасаючи енергію. При цьому для псевдоконденсаторів потрібна менша кількість літію. І вони можуть бути екологічнішими за звичні нам акумулятори. 

 

Та наразі домінуванню літій-іонних батарей нічого не загрожує. І в цьому також проявився геній їх винахідників: вони створили технологію, що стала незамінною для людства майже на 30 років. І лишатиметься такою ще довго.