​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.

Gudenaf_Kosova.JPG 

Джон Гуденаф и 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). 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.

батарея.png

— 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. 

Источники

Эксперт: технология нобелевских лауреатов по химии остается самой эффективной
ТАСС, 09/10/2019
Батарея - огонь
Известия, 10/10/2019
Нобель у вашего уха
Российская газета # Москва, 10/10/2019
Не просто батарейки
Стимул (stimul.online), 10/10/2019
Батарея - огонь: за что дали нобелевку по химии
Известия (iz.ru), 09/10/2019
Когда одной батареи enough
Индикатор (indicator.ru), 09/10/2019
Технология в кармане
Наука в Сибири (sbras.info), 11/10/2019
Технология в кармане
Российская академия наук (ras.ru), 11/10/2019
Батарея Нобеля: как Джон Гуденаф создал новые отрасли в химии и экономике
РБК (rbc.ru), 10/10/2019

Похожие новости

  • 11/07/2017

    Профессор Елена Болдырева стала иностранным членом Академии наук и искусств Словении

    ​Ведущий научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН, заведующая кафедрой химии твердого тела ФЕН НГУ, доктор химических наук, профессор Елена Болдырева избрана иностранным членом Академии наук и искусств Словении по секции "Математические, физические, химические науки".
    1080
  • 28/02/2018

    Европейский Центр Синхротронных Исследований включил работу профессора Елены Болдыревой в число лучших по итогам 2017 года

    ​Профессор НГУ Елена Болдырева возглавила международную группу по исследованиям механохимического синтеза с использованием синхротронного излучения in situ в режиме реального времени – исследование отмечено как одно из лучших достижений Европейского Центра Синхротронных Исследований в Гренобле за 2017 год.
    1292
  • 07/12/2017

    Сибирская исследовательница получила степень почетного доктора Эдинбургского университета

    ​24 ноября на сайте Университета Эдинбурга был опубликован полный список лауреатов почетных степеней, стипендий, университетских бенефициаров и лауреатов премий университета, присужденных в июле 2017 года.
    943
  • 13/06/2017

    Лауреаты премии имени академика В.А. Коптюга 2017 года

    Премия имени выдающегося ученого академика Валентина Афанасьевича Коптюга, вице-президента Российской академии наук, председателя Сибирского отделения РАН, иностранного члена Национальной академией наук Беларуси учреждена с целью поощрения исследователей Республики Беларусь и Российской Федерации за достижение выдающихся результатов при выполнении совместных научных исследований в рамках межгосударственных программ, а также за совместные научные труды, научные открытия и изобретения, имеющие важное значение для науки и практики.
    1834
  • 15/01/2019

    РАН и НАН Беларуси объявили победителей конкурса 2018 года премий двух академий

    ​РАН и НАН Беларуси объявили победителей конкурса 2018 года на соискание премий Российской академии наук и Национальной академии наук Беларуси. Об этом корреспонденту портала Союзного государства рассказали в пресс-службе НАН Беларуси.
    1223
  • 02/09/2019

    Академик Геннадий Сакович награжден орденом «За заслуги перед Отечеством»

    Президент России Владимир Путин отметил государственными наградами представителей Алтайского края. Высокие российские награды получили Геннадий Сакович и Анатолий Бондаренко. За большой вклад в развитие науки и многолетнюю добросовестную работу ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени удостоен научный руководитель Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук Геннадий Сакович (Бийск).
    171
  • 21/03/2017

    Новосибирские химики провели исследование фотомеханического эффекта в Европейском центре синхротронного излучения ESRF

    Химики НГУ провели новые эксперименты в Европейском центре синхротронного излучения ESRF (Гренобль, Франция). Они изучили влияние гидростатического сжатия в алмазных наковальнях на химические реакции в кристаллах, сопровождающиеся фотомеханическим эффектом.
    1930
  • 24/11/2016

    Дни Франции в Институте катализа СО РАН

    С 7 по 9 ноября 2016 года в Институте катализа состоялся очередной российско-французский семинар в рамках международного научного объединения «Каталитическая переработка биомассы в ценные продукты» (МНО «Биомасса» / GDRI "Biomass").
    1998
  • 13/10/2016

    Новосибирские ученые удостоены премии за выдающиеся работы в области катализа

    Премиями имени выдающихся ученых академия наук поощряет научные труды, открытия и изобретения, имеющие большое значение для науки и практики. ​Премия А.А. Баландина учреждена Российской академией наук и присуждается отечественным ученым  за выдающиеся работы в области катализа.
    2339
  • 03/02/2017

    Академику Дмитрию Кнорре и профессору Сиднею Альтману присуждена Большая золотая медаль РАН имени М.В. Ломоносова 2016 года

    ​31 января 2017 года  Президиум РАН постановил присудить Большую золотую медаль Российской академии наук имени М.В. Ломоносова 2016 года академику РАН Дмитрию Георгиевичу Кнорре  ​и профессору Сиднею  Альтману.
    1780