Нобелевской премии по химии в 2019 году удостоились ученые, внесшие основной вклад в разработку литий-ионных батарей, использование которых помогло создать компактные телефоны, ноутбуки и электромобили. Главный научный приз был разделен между первооткрывателем этих аккумуляторов британским химиком Стэнли Уиттингемом, развившим его идеи американским физиком Джоном Гуденафом и японским химиком Акирой Йошино, который создал первый промышленный образец нового устройства и запустил его массовое производство. Таким образом, сегодня каждый человек на земле, использующий мобильный телефон, держит в руках открытие нобелиатов-2019.
Три столпа нобелевки
В 70-е годы прошлого века выбор аккумуляторов был крайне узок — львиную долю рынка занимали практически безальтернативные свинцовые системы, различные вариации которых на тот момент использовались уже порядка 150 лет. Однако они были крайне тяжелыми и не давали возможности для развития портативной электроники. Именно поэтому первые образцы мобильных телефонов оказались очень крупными и продавались в комплекте с набором тяжелых элементов питания, каждый из которых обеспечивал лишь несколько часов работы аппарата.
В таких условиях разработка легких и емких батарей стала одной из важнейших задач, решение которой началось с открытия англичанина Майкла Стэнли Уиттингема, создавшего первый в мире заряжаемый аккумулятор на основе лития. Однако первоначальный образец батареи был далек от совершенства и требовал появления новых материалов, которые улучшили бы ее электрические характеристики.
Сделать это позволили исследования американского ученого Джона Гуденафа.
— Он приспособил для применения в аккумуляторах катоды на основе весьма неожиданного для ученых того времени материала — литий-железо-фосфата, который в обычных условиях обладает очень плохой ионной и электронной проводимостью, — рассказал директор Центра компетенций «Новые мобильные источники энергии» ИПХФ РАН Юрий Добровольский. — Гуденаф доказал, что этот материал способен быть отличным проводником, если использовать его в виде наночастиц, которые будут обладать необходимыми характеристиками не за счет своего объема (что подразумевали традиционные подходы того времени), а исходя из большой площади поверхности, которая дополнительно покрывалась тонким слоем углерода.
В результате ученым удалось получить новые аккумуляторы, которые втрое превосходили аналоги по электрической емкости на килограмм веса. Однако, добившись высоких характеристик, исследователи столкнулись с опасностью возгорания батареи, основной причиной которого было использование взрывоопасного металлического лития в качестве отрицательного электрода (анода). Этот материал часто вызывал короткие замыкания, которые приводили к разрушению устройств. Решением проблемы стало изобретение углеродных электродов с внедренными в них ионами металлического лития, которые уже не представляли опасности. В результате батареи превратились в литий-ионные и стали пригодны для внедрения в промышленность.
Добиться этого удалось Акире Йошино, создавшему первую полноценную литий-ионную батарею на основе кобальтата лития. Она обладала высокой плотностью энергии при относительно малой мощности и низкой скорости зарядки и разрядки, которых хватало для применения в радиоэлектронике и мобильных телефонах. Йошино запустил и массовый выпуск этих аккумуляторов, который начался в 1986 году.
— Путь от предложения Гуденафом кобальтата лития в качестве материала для катода до создания первого промышленного образца батареи был пройден всего за пять лет. Это можно считать рекордной скоростью внедрения идей высокой науки в практику, — считает руководитель группы материалов для литий-ионных аккумуляторов Института химии твердого тела и механохимии СО РАН Нина Косова.
Тягловая батарейка
Впоследствии возникла и необходимость создания более мощных батарей для электродвигателей (в том числе автомобильных), что повлекло внедрение в них альтернативных материалов.
— Решить эту задачу получилось с помощью железо-фосфатных материалов, которые способны быстро впитывать и отдавать энергию. Это необходимо, например, для интенсивного разгона автомобиля и быстрого накопления энергии с помощью системы ее рекуперации, которая включается при торможении, — отметил приглашенный эксперт Кафедры физической химии НИТУ «МИСиС» Алексей Юдин. — Если же говорить про аккумуляторы для мобильных устройств, здесь кобальтат лития впоследствии заменили материалы на основе Li-NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt — катод, который содержит сочетание оксидов лития никеля и марганца. — «Известия»). Они более безопасны — не приводят к возгоранию — и позволяют быстро заряжать телефоны и компьютеры.
По словам экспертов, развитие технологии позволило не только расширить ее применяемость — оно положительно сказалось и на количестве энергии, которую возможно «спрятать» в аккумулятор. Если в конце 1990-х емкость стандартной батарейки составляла около 100 Ватт в час на килограмм, то сейчас этот показатель увеличился как минимум в 2,5 раза.
Среди основных перспективных областей применения литий-ионных батарей эксперты называют автопром (причем это касается и создания электромобилей, и выпуска гибридных моделей), накопители энергии (пауэрбанки), аккумуляторы для авиационной и космической техники, а также электрические велосипеды и самокаты. Кроме того, разработка используется в системах накопления энергии из возобновляемых источников (в частности, от солнечных батарей и ветрогенераторов), робототехнике, медицинских имплантах, охранных и военных системах.
— Любопытно, что в качестве дальнейшего развития технологии ученые видят уход от металла, давшего названия новым батареям (лития), и переход на натрий-ионные и калий-ионные устройства. Стоимость необходимых для них элементов в разы ниже, — отметил профессор Сколковского университета науки и технологий Артем Абакумов.
При этом в передовых устройствах будут использоваться те же научные принципы, которые были открыты и развиты нобелевскими лауреатами. К слову, каждый из них тоже демонстрирует удивительные качества научного долгожительства.
Перезаряжаемые ученые
Например, 97-летний Джон Гуденаф, родившийся в Германии еще до прихода к власти Гитлера и переехавший с родителями в США, на сегодняшний день является старейшим нобелиатом на протяжении всей истории премии.
Он знаменит не только высказыванием: «У меня еще есть время на открытия. Мне всего лишь 92», но и своим смехом, который явно стоит услышать. Для этого нужно просто набрать в поисковике «Джон Гуденаф. Смеяться».
Несмотря на то что в детстве и юности Гуденаф не проявлял интереса к науке, его путь в итоге прошел через Чикагский университет и обучение у Энрико Ферми. В свои 97 профессор каждый день ходит на работу в свою лабораторию в Техасе. Сейчас, по информации газеты The Guardian, он находится в Лондоне и готовится отпраздновать премию.
— Я не знал, что инженеры-электрики будут делать с созданной мною батареей. Я действительно не ожидал нашествия мобильных телефонов, видеокамер и всего остального, — сказал он в недавнем интервью The Times.
77-летний Стенли Уиттингем, по информации АР, после присуждения премии заявил, что теперь ему нужно поблагодарить так много людей, что он не знает, с кого начать. Профессор живет в Нью-Йорке, но на этой неделе, как и его коллега, находится в Европе на конференции.
А вот до 71-летнего Акиры Йошино удалось дозвониться прямо во время стокгольмской пресс-конференции. Он был очень удивлен, но сказал, что был уверен: за литий-ионные батареи когда-нибудь присудят Нобелевскую премию. Однако никогда не думал, что это будет так скоро: «Сюрприз, сюрприз!»
Подводя итог, можно сказать, что, создав перезаряжаемые устройства, нобелиаты открыли новый источник энергии и для своей жизни.