Литий-ионные батареи. За что вручили Нобелевку по химии

Фото: Casey Chin, wired.com

Выход из кризиса: кто придумал LIB

Представьте, что основные экспортеры нефти договариваются больше не поставлять сырье на мировой рынок, уменьшают добычу и закрывают все каналы транспортировки. У государств или вовсе нет своих запасов, или их хватит только на пару недель. Цена на нефть стремительно растет, планета в одно мгновение замирает в анабиозе. В современном мире такая ситуация все еще остается гипотетически возможной, но связана она может быть только с попыткой стабилизировать переизбыток нефти на рынке. Так, например, страны ОПЕК+ и Россия провели конец 2019 и начало 2020 года за переговорами о сокращении добычи нефти. Неуступчивость некоторых стран-экспортеров и пандемия коронавируса, заблокировавшая сообщение между странами, привели к тому, что танкеры с нефтью стояли в портах, а нефть американских марок торговалась с минусовой ценой за баррель. То есть продавцы за нее доплачивали, как бы дико это ни звучало во все еще нефтецентричном мире.

Каких-то полвека назад, в 1973 году, ситуация была ровно противоположной. Тогда произошел первый в истории энергетический кризис – не из-за финансов или проблем с запасами, а из-за политики. Арабские страны, основные экспортеры нефти, перестали снабжать сырьем американцев и европейцев в знак протеста против помощи Израилю. Американский президент Ричард Никсон всерьез просил свой народ меньше пользоваться автомобилями, авиакомпании стремительно сокращали количество рейсов, по всему миру отменяли гонки и закрывали заправки.

Английский химик Стэнли Уиттингем (Stanley Whittingham) работал в это время на компанию Exxon mobile в США, и, видимо, ему тоже приходилось часто ходить пешком на работу. Потому что именно нефтяное эмбарго 1973 года заставило ученого обратиться к идее новой батареи, которая могла бы перезаряжаться за короткое время и работать с ветряной и солнечной энергиями. Аккумуляторы к тому времени существовали уже десятилетия, но были огромными, слабыми и неустойчивыми. Уиттингем по заказу Exxon первым выпустил на арену литий: для своего изобретения он взял дисульфид титана и металлический литий в качестве электродов. Эта комбинация оказалась не слишком устойчивой, и ее революционность мало кто понимал. После коротких замыканий и возгорания батарей Exxon прекратил эксперименты. Но Уиттингем работу над проектом продолжил.

Его коллега Джон Гуденаф (John Goodenough), заведующий кафедрой неорганической химии Оксфордского университета, предложил вместо дисульфида титана использовать оксид лития-кобальта. В 1979 году Гуденаф вместе со своими сотрудниками разработал батарею с катодом из ионов лития между слоями оксида кобальта. И если батарея Уиттингема обладала энергетическим потенциалом в 2,5 вольта, то у батареи Гуденафа этот показатель уже был вдвое больше – 4.

Через пять лет после этого Акира Ёсино (Akira Yoshino) из Университета Мейхо в Нагое, Япония, снова попробовал заменить элементы. Вместо химически активного металлического лития он использовал нефтяной кокс, богатый углеродом побочный продукт переработки нефти. Зарядка кокса электронами притягивала ионы лития в анод. Открытие Ёсино стало революционным: новая батарея оказалась не только безопаснее, но и куда стабильнее предшественниц. Так появился первый прототип литий-ионного аккумулятора. Ёсино подал патент на батарею в 1985 году, а первый литий-ионный аккумулятор в 1991 году выпустила Sony Corporation.

В 2019 году при объявлении лауреатов Нобелевской премии по химии Нобелевский комитет отметил, что награда в этом году достается «перезаряжаемому миру». Стенли Уиттингем, Джон Гуденаф, который стал заодно старейшим лауреатом премии, и Акира Ёсино втроем получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «за разработку литий-ионных аккумуляторов». «Эта легкая, перезаряжаемая и мощная батарея теперь используется во всем – от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Она может накапливать значительное количество энергии от солнечной и ветровой энергии, что делает возможным общество без ископаемого топлива», – написал комитет в своем пресс-релизе, и в этом кратком комментарии перечислены все основные достоинства LIB (lithium-ion battery). Уиттингем говорил: «Литиевые аккумуляторы повлияли на жизнь всех людей в мире». И это не преувеличение. У каждого из нас в ближайшем радиусе наверняка найдется не один девайс с литий-ионным аккумулятором внутри. И когда мы ставим его на подзарядку, то даже не задумываемся о том, что за этим изобретением – автономная работа трех исследовательских групп с разных концов планеты, начавшаяся только потому, что мир однажды почувствовал свою зависимость от нефти и захотел от нее избавиться.

Джон Гуденаф. Фото: Marc Brown, news.utexas.edu

От смартфонов до электростанций

Главные герои литий-ионных аккумуляторов, как можно догадаться из названия, – ионы лития. Литий имеет один из самых больших электрохимических потенциалов среди легких элементов периодической таблицы Менделеева. Литий объединяется с переходным металлом – например, кобальтом, никелем или марганцем – и образует катод. Во время подзарядки ион лития с катода мигрирует на анод и становится металлическим литием. И потом, поскольку литий обладает большой электрохимической движущей силой, он мигрирует обратно к катоду, чтобы снова стать ионом лития, а электрон отдает иону кобальта. Движение электронов в этой цепи и дает нам ток, который мы можем использовать. Стэнли Уиттингем сравнивает работу литий-ионных батарей с намазыванием джема на сандвич. Джем как бы проникает внутрь пористой булочки. С химической точки зрения это значит, что у нас есть кристаллическая структура, из которой мы можем вынимать ионы лития или добавлять их, а структура останется прежней. Такие комбинации создают самые высокие напряжения в самых компактных и легких объемах – именно поэтому литий-ионные аккумуляторы так востребованы. Они маленькие, перезаряжаемые и мощные.

Стэнли Уиттингем Фото: A. Mahmoud nobelprize.org

С литием в аккумуляторах не было проблем еще со времен Стэнли Уиттингема. Сложность состояла в том, чтобы подобрать к нему правильные электроды. Акира Ёсино использовал нефтяной кокс, но сейчас его место чаще занимает графит. Но литий-ионные аккумуляторы все еще работают не на пределе своих возможностей. По всему миру ученые пытаются улучшить характеристики LIB. Например, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего пытаются увеличить плотность энергии литий-ионной батареи, добавляя кремний к аноду. Они также разрабатывают батарею, которая может работать при низких температурах, до –76 °F – по сравнению с пределом тока –4 °F для литий-ионных аккумуляторов. Вообще, температура – слабое место для литий-ионных конструкций. Ваши смартфоны наверняка тоже разряжаются на холоде, ведь так?

Литий-ионные аккумуляторы завоевали рынок портативной техники. 98 % только японских смартфонов выпускаются на литий-ионных аккумуляторах. Компания Tesla ставит их в электрокары. Речь уже не о маленьком смартфоне, а о целом «парке» аккумуляторов, соединенных между собой. Двигатель электрокара Tesla Model S, например, состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый. Tesla даже открыла в пустыне Невада свой завод по выпуску литий-ионных аккумуляторов. На этом, кстати, литий-ионные амбиции самой известной компании по выпуску электрокаров не заканчиваются. В 2017 году Tesla построила в Австралии самое большое в мире хранилище электроэнергии, работающее на литий-ионных аккумуляторах. Грубо говоря, это огромная литий-ионная батарея в Джеймстауне, Южная Австралия. Проект начался со спора в Твиттере, когда Илона Маска спросили, может ли он решить проблему с электричеством в Южной Австралии. У региона большие потребности – там жарко, и постоянно работают кондиционеры. Австралия при этом отказалась от ископаемого топлива и перешла на возобновляемые источники энергии – солнечный свет и ветер. Накануне спора в 2017 году целый штат остался без света из-за этого перехода. Илон Маск пообещал, что построит батарею за 100 дней или она достанется правительству бесплатно. Комплекс был согласован и возведен за три месяца. В 2020 году емкость батареи планируют увеличить на 50 %.

Компании Microsoft и Facebook тоже используют литий-ионные аккумуляторы в своих дата-центрах.

Илон Маск пообещал, что построит Австралии хранилище литий-ионных аккумуляторов за 100 дней Фото: Mark Brake, nytimes.com