Роботи трьох лауреатів премії 2019 року в різний час зробили великий внесок у розвиток технології літій-іонних акумуляторів.
Багато хто, почувши про вручення тієї чи іншої наукової нагороди, задається питанням: «Добре, а як це можна застосувати в звичайному житті?» І коли скоро Нобелівська премія - найвідоміша у світі нагорода за наукові досягнення, то й такі заочні питання Нобелівським лауреатам звучать найчастіше. Але в сьогоднішньому випадку все зовсім по-іншому - результатами наукової роботи лауреатів користується практично кожен з нас. Адже саме літій-іонні акумулятори живлять більшість мобільних пристроїв, без яких вже складно уявити сучасне життя.
Звичайно, перезаряджувані джерела живлення або, просто кажучи, батарейки були і до літієвої «ери». Але саме літій став тим елементом, який дозволив акумуляторам на його основі вийти за межі лабораторій і оселитися в звичайному світі, дуже успішно, треба сказати. Однак якщо ми навіть побіжно подивимося на історію літій-іонної батарейки, то зрозуміємо, що для «самостійного» життя її готували протягом не одного десятиліття, і не один десяток дослідників, а численні наукові групи. Тому якщо дати Нобелівську премію за розвиток літій-іонних технологій було відносно легко, то ось вибрати, кому ж саме її присудити, не таке вже й просте завдання. Оскільки, повторимося, над розвитком цієї області працювало дуже багато і хіміків, і фізиків та інших дослідників. Проте Нобелівський комітет вибрав трьох вчених, чий внесок у становлення і розвиток технології був визнаний найбільш значущим.
Одним з трьох нагороджених став Стенлі Віттінгем (Stanley Whittingham), який отримав премію за свої роботи 1970х років зі створення перезаряджуваної електричної батареї на основі літію. Тоді вдалося створити прототип пристрою, в якому роль одного електрода виконував дисульфід титану, а інший електрод був виконаний з металевого літію. Зарядка або розрядка такого акумулятора пов'язана з перенесенням іонів літію з одного електрода на інший і назад. На словах все здається досить простим, але чому тоді від першого прототипу до першого серійного акумулятора пройшло практично двадцять років?
Відповідь криється в довгому пошуку матеріалів для електродів, які повинні одночасно накопичувати і віддавати літій, робити це не один і не два рази, і крім усього іншого вся конструкція повинна бути безпечною, наскільки це можливо. І дешевий. Акумулятори на основі електродів з дисульфіду титану і металевого літію були одночасно і дорогими, і небезпечними - вони непередбачувано вибухали. Однак ідея створення «правильного» літій-іонного акумулятора здавалася дуже привабливою, тому багато наукових колективів вступили в гонку з пошуку відповідних матеріалів для нього.
Наступний лауреат, до речі, найстарший з нагороджених (у 2019 році йому виповнилося 97 років) - Джон Гуденаф (John Goodenough). У 1980 році він висловив ідею про використання як катода в літієвій батареї сполук на основі оксиду кобальту замість застосованих раніше сульфідів металів. Матеріал з назвою оксид літію-кобальту виявився дуже вдалим у цьому плані. Катод на його основі міг ефективно впускати в себе і випускати назад іони літію, які звернемо вбудовувалися в його кристалічну структуру. До того ж оксиди кобальту були куди більш «приємними» в обігу речовинами, ніж ті ж сульфіди. Все йшло до того, щоб незабаром на світ вийшла перша серійна літій-іонна батарея.
Але щоб це сталося, потрібно було вирішити ще кілька завдань. По-перше, позбутися металевого літію - він використовувався в якості другого електрода. Це вдалося зробити Рашиду Язамі (Rachid Yazami). Він показав, що графіт відмінно справляється з таким завданням. Справа в тому, що графіт володіє шаркостою структурою, і в простір між шарами атомів вуглецю можуть «заходити» інші атоми, особливо якщо вони невеликого розміру, як раз такі, як літій. Друга проблема, яку належало вирішити дослідникам, полягала в підборі середовища (електроліту), по якій могли б переміщатися іони літію від електрода до електроду. Це теж виявилося нетривіальним завданням, оскільки електроліт повинен був бути стабільний при контакті з обома електродами та іншими компонентами акумулятора.
На те, щоб зібрати воєдино всі елементи і зробити конструкцію акумулятора надійною і безпечною, у дослідників пішло ще практично десять років. Поки, нарешті, в 1985 році Акіро Есіно (Akira Yoshino) не створив перший прототип літій-іонного акумулятора, придатного для серійного виробництва. Правда, знадобилося ще цілих шість років, перш ніж перший серійний акумулятор побачив світ. А в 2019 році Акіро Йосіно став третім лауреатом Нобелівської премії з хімії.
Чи закінчилася на цьому історія літієвих акумуляторів? Зовсім ні! Дослідники по всьому світі не припиняють розробку нових технологій накопичення електричної енергії. Це і вдосконалення акумуляторів на основі іонів літію. І пошук альтернативних матеріалів, які могли б замінити сам літій. І вирішення безлічі технічних проблем, які опинилися за рамками цієї статті. Однак нинішня Нобелівська премія з хімії цілком справедливо відзначила важливу віху в розвитку літій-іонних акумуляторів, коли технологія, що зародилася майже півстоліття тому, в прямому сенсі прийшла в кожен будинок.
За матеріалами Нобелівського комітету