История создания литий-ионного аккумулятора

• Трио создателей Li-ion батарей
• От идеи к ее реализации
• Признание Нобелевского комитета

Сложно представить современный мир без смартфонов, ноутбуков, электромобилей, гироскутеров, моноколес и множества других устройств, работающих на литий-ионных аккумуляторах. Они стали для нас привычными и обыденными, а ведь еще недавно о подобных источниках энергии можно было только мечтать. Так кого же благодарить за появление лучших из существующих на сегодня аккумуляторов? В чьих светлых умах появилась идея создания Li-ion батарей, и кто воплотил ее в жизнь?

Трио создателей Li-ion батарей

Главные герои в истории создания литий-ионного аккумулятора – это:

1. Англичанин Стэнли Уиттингем из Линкольншира – автор идеи и ее первого воплощения. Он родился в 1941 году, учился в родном городе, а затем – в Оксфорде. Изучая химию, вначале стал бакалавром, магистром, аспирантом, а в 1968 году – доктором наук. С тех пор Стэнли Уиттингем продолжает свою научную деятельность в Университете Нью‑Йорка. С 1972 по 1988 гг. он работал в нефтяных компаниях, где и начал заниматься тематикой электродной интеркаляции.
2. Джон Гуденоу – американец немецкого происхождения, 1922 года рождения, признанный исследователь магнитных материалов. В 1944 году он получил 1 степень в Йеле, после чего сменил университеты Чикаго и Пенсильванский на Техасский университет в городе Остин. В последние годы занимается разработкой нового типа аккумуляторов – с твердым электролитом.
3. Акира Ёсино – японский ученый-химик, родившийся в 1948 году в городке Суйта недалеко от Осаки. В 1972 году он окончил Киотский университет, а в 2005 – получил степень доктора наук в Оакском университете.

От идеи к ее реализации

Идея создания Li-ion аккумулятора появилась у Стэнли Уиттингема в 1970-е годы на фоне нефтяного кризиса. Известно, что электроны движутся от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду. Вначале Стэнли использовал в качестве материала катода сульфид титана (TiS2), а в качестве материала анода – металлический литий.

В результате он получил элемент питания с напряжением 2 В – достаточно высоким для того времени. Но из-за высокой реакционной способности металлический литий интенсивно взаимодействует с парами воды и кислородом воздуха. Поэтому использование элементов питания на его основе было проблематичным в плане безопасности.

Далее идею Стэнли Уиттингема развил Джон Гуденоу. В 1980 году он продемонстрировал, что применение в роли материала катода оксида кобальта и других металлов позволяет увеличить напряжение до 4 В. Открытие Джона стало важным достижением и зародило надежду на создание еще более мощных аккумуляторов на основе лития.

Акира Ёсино внес свой вклад в развитие литий-ионной технологии – заменил оксид кобальта на кобальтит лития (LiCoO2) и добавил в электролит полупроницаемую мембрану, чтобы предотвратить переход ионов лития от анода к катоду. Для производства анода он вначале использовал электропроводный полимер – токопроводящий полиацетилен. Но этот рыхлый материал препятствовал созданию компактных аккумуляторов.

Поэтому Акира решил заменить его на нефтяной кокс, найдя достойное применение побочному продукту нефтепереработки. Кокс отлично решил задачу по удержанию ионов лития на аноде. Слои нефтяного кокса подобны графену с 6-углеродными ячейками-сотами, и в их центральных углублениях отлично удерживаются ионы лития.

Признание Нобелевского комитета

В 2019 году заслуги создателей литиевых аккумуляторов – Джона Гуденоу, Стэнли Уиттингема и Акиры Ёсино – были отмечены Нобелевской премией по химии. Это решение было ожидаемым и закономерным, ведь создание Li-ion батарей стало важным достижением в развитии науки и техники.