Нобель з хімії — за літій-іонні батареї

Джон Ґудінаф з Техаського університету в Остіні, Стенлі Віттінгем з Бірмінгемського університету та Акіра Йошіно з Університету Мейдзьо розділять між собою 9 млн шведських крон — адже саме їх Королівська шведська академія наук назвала цьогорічними лауреатами Нобелівської премії з хімії.

Ґудінаф, якому 97 років, став найстаршою людиною в історії, якій вручали Нобелівську премію у будь-якій галузі, а Віттінгем — це другий уродженець Великої Британії, який отримав Нобелівську премію цього року.

Літій-іонні батареї вже тривалий час розглядали як відкриття, достойне Нобелівської премії, адже вони зіграли одну з ключових ролей у розвитку теперішньої високотехнологічної цивілізації. «Саме цей винахід заклав основи бездротового суспільства, що звільняється від викопних джерел палива», — сказали в Королівській шведській академії наук.

Літій-іонні батареї набагато легші та компактніші, ніж будь-які попередні типи акумуляторів, й здатні довше утримувати електричний заряд. Сьогодні їх можна знайти всюди — від мобільних телефонів і ноутбуків до електромобілів.

«Батареї для електрокарів більше не важать дві тонни, а лише 300 кілограмів, — каже професор Сара Лінсе, член Нобелівського комітету в галузі хімії. — Здатність цих пристроїв накопичувати і зберігати енергію, отриману із відновлювальних джерел — сонця, вітру, відкриває шлях до зеленої економіки».

Найстарший в історії лауреат Нобелівської премії Джон Ґудінаф кілька місяців тому сказав в інтерв’ю виданню The Times, що не очікував, які наслідки матиме його робота. «Ми просто розробляли нову акумуляторну батарею. Це було звичайне дослідження. Я не знав, що згодом з нашим винаходом зроблять інженери. Я справді не очікував пришестя смартфонів, цифрових фотокамер і всього іншого».

Цікаво, що минула середа сама собою мала бути гарним днем для Ґудінафа, адже саме в цей день він мав отримати престижну медаль Коплі від Лондонського королівського товариства. Під час оголошення лауреатів цьогорічного Нобеля літній вчений спав, проте за новинами стежила його колега проф. Марія Гелена Браґа з Університету Порту (Португалія), яка також гостювала в Лондонському королівському товаристві з нагоди вручення медалі Коплі.

«Я примчала в його кімнату з криками: «Вставай! Ти отримав Нобелівську премію!». Мені потрібно було разів двадцять показати йому новину на телефоні, перш ніж він мені повірив», — розповідає Браґа.

В середу після обіду Ґудінаф з’явився на пресбрифінгу і сказав, що хоча він й не очікував Нобелівської премії, але однаково «дуже радий». «Життя повне сюрпризів», — сказав він, додаючи, що в його віці такі новини «вже не роблять великої різниці».

За словами проф. Марка Міодовніка, матеріалознавця з Університетського коледжу Лондона, дуже слушно, що цьогорічного Нобеля з хімії дали саме за створення літій-іонних бататей. «Вони стали одним з найвпливовіших застосувань науки про матеріали, що глибоко вплинуло на життя майже кожної людини на планеті, — стверджує професор. — Також потрібно додати, що хоча цій технологій вже тридцять років, її поки не відсунула на задній план інша, краща батарея. Усе це дозволяє усвідомити, яке чудове відкриття зробили ці троє хіміків».

Принцип роботи батареї ґрунтується на перетворенні хімічної енергії в електричну. Типова батарея складається з двох електродів — анода та катода, які розділені рідиною, що може переносити заряджені частинки.

Обидва електроди поєднані в електричному колі. Коли батарея живить електричний пристрій, електрони рухаються від анода до катода через електричне коло, тоді як позитивно заряджені іони переміщаються через електроліт. Цей процес можна провести також у зворотному напрямку, заряджаючи батарею.

Хоча акумуляторні батареї з’явилися ще у 1970-ті, кількість енергії, яку вони могли зберігати, була суттєво обмежена. Літій, як тоді вважали, міг би стати рішенням, адже це дуже легкий метал, який, до того ж, легко втрачає електрони. Однак реактивність літію тривалий час ускладнювала його практичне застосування.

У 1970-ті Стенлі Віттінгем розв’язав цю проблему, створивши акумуляторну батарею, яка використовувала літій в аноді та дисульфід титану в катоді. На жаль, якщо його тривалий час заряджати, цей акумулятор міг вибухнути.

Тож Ґудінаф перебрав естафету і замінив дисульфід титану та оксид кобальту, подвоївши корисну напругу батареї. Нарешті Йошино на основі катоду, який розробив Ґудінаф, у 1985 р. створив першу комерційно доступну літій-іонну батарею, компоненти якої зберігалися в оболонці з нафтового коксу. 

Завдяки зусиллям трьох вчених вдалося отримали компактну, містку батарею, яку можна було перезаряджати безліч разів — основу того, що ми маємо у своїх ноутбуках та смартфонах. Сьогодні їхній винахід продовжують удосконалювати, зокрема щоби зробити його безпечнішим для довкілля.

За словами президентки Королівського хімічного товариства в Британії проф. Керол Робінсон, «це не кінець мандрівки, оскільки літій не є безконечним ресурсом, і рано чи пізно йому доведеться шукати заміну, однак чимало науковців по всьому світу працюють на основі теорії, яку заклали ці троє блискучих хіміків».

Nobel prize in chemistry awarded for work on lithium-ion batteries

The Guardian, 9/10/2019

Зреферував Є. Л.