Нобеловата награда за химия през 2019 г. е присъдена на Джон Б Гудинаф, М Станли Уитингам и Акира Йошино за техния принос в развитието на литиево-йонните батерии. Тези презареждащи се батерии полагат основата на безжичната електроника като мобилни телефони и лаптопи.
Тази технология показва и че свят без използването на изкопаеми горива е възможен и може да се прилага за всичко от захранване на електрически автомобили до съхранение на енергия от възобновяеми източници.
Най-важният елемент зад откритието, донесло тазгодишната Нобелова награда за химия, е литият, древен елемент, получен още в първите минути след Големия Взрив. Човечеството се запознава с него през 1817 г., когато шведските химици Йохан Аугуст Арфведсон (Johan August Arfwedson) и Йонс Йакоб Берцелиус (Jöns Jacob Berzelius) го извличат от минерална проба от мината Utö в стокхолмския архипелаг. Берцелиус кръщава новия елемент на гръцката дума за камък - lithos. Въпреки името си, това е най-лекия твърд елемент.
Всъщност шведските химици не откриват чист метален литий, а литиеви йони под формата на сол. Чистият литии е нестабилен елемент и трябва да бъде съхраняван в масло, за да не взаимодейства с въздуха. Неговата слабост - високата му реактивност - е и най-голямата му сила.
Литият е метал. Той има само един електрон във външната си електронна обвивка и той силно се стреми да остави лития, присъединявайки се към друг атом. Когато това се случи, се образува положително зареден и по-стабилен литиев йон. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
В началото на 70-те години Стенли Уитигам използва склонността на лития да отдаде външния си електрон, за да създаде първата функционираща литиева батерия. Пред 1980 г., Джон Гудинаф удвоява потенциала на батерията, създавайки подходящите условия за много по-мощни и полезни батерии. През 1985 г., Акира Йошино успява да елиминира чистип литий от батериите за сметка на литиеви йони, които са по-безопасни. Това прави производството на батериите на практика възможно. Литиево-йонните батерии донасят големи ползи за човечеството, защото позволяват развитието на преносими компютри, мобилни телефони, електрически превозни средства и съхранението на енергия произведени от слънчеви и вятърни генератори.
Петролните изпарения възобновяват изследванията върху батериите
В средата на 20 век броят автомобили в света, движещи се с петролни продукти, нараства значително и техните изгорели газове влошават и без друго вредния смог в големите градове. Това, заедно с нарастващата идея, че петролът не е безкраен източник на енергия, повлиява както на производителите на автомобили, така и на компаниите за горива. За да оцелее бизнесът им, се налага да инвестират в електрически автомобили и алтернативни източници на енергия. Но и двете изискват мощни батерии, които могат да съхраняват големи количества енергия. Към онзи момент на пазара има само два вида презареждащи се батерии - батерии с тежко олово, изобретени през 1859 (и все още използвани в стартера на автомобилите с петролни горива) и никел-кадмиеви батерии, разработени в първата половина на 20-ти век.
Петролните компании инвестират в нова технология
Заплахата от изчерпване на петрола кара гигантът Exxon да разнообрази дейността си. Инвестирайки много в научна и развойна дейност, те назначават някои от най-изтъкнатите учени в областта на енергетиката, давайки им свободата да направят каквото желаят, стига да изключва петрол. Стенли Уитингам е един от учените, започнали работа в Exxon през 1972 г. Той идва от Университета Станфорд, където изучава твърди материали, съдържащи пространства с размер на атом, в които могат да се прикачат заредени електрони. Този феномен се нарича интеркалация (вмъкване). Свойствата на материалите се променят, когато вътре в тях са вмъкнати йони. В Exxon, Уитингам и колегите му започват да изучават свръхпроводници, включително и танталов дисулфид, който може да интеркалира йони. Те вмъкват в него йони и изучават как се променя проводимостта.
Уитингам открива материал с изключително висока енергийна плътност
Както често се случва в науката, този експеримент довежда до неочаквано и ценно откритие. Оказва се, че калиевите йони повлияват на проводимостта на танталовия дисулфид, и когато Стенли Уитингам започва да изучава материала в детайли, той открива, че има много висока енергийна плътност. Взаимодействията, получили се между калиевите йони и танталовия дисулфид са изненадващо богати на енергия и когато ученият измерва волтажа на материала, той е няколко волта. Това е повече от много от тогавашните батерии. Уитигам бързо осъзнава, че е време да промени посоката, преминавайки към развиването на нова технология, която може да съхрани енергия за електромобилите на бъдещето. Но танталът е един от най-тежките елементи, а пазарът не се нуждае от още тежки батерии, затова ученият го замества с титан, елемент със сходни свойства, но много по-лек.
Първите акумулаторни батерии имат в електродите си твърди материали, които се разрушават, защото реагират химически с електролита. Това унищожава батериите. Предимството на литиевата батерия на Уитингам е, че литиевите йони остават в пространствата в титаниевия дисулфид в катода. Когато се използва батерията, литиеви йони се движат от лития в анода към титаниевия дисулфид в катода. Когато батерията се зарежда, литиевите йони се насочват обратно. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Литият в отрицателния електрод
Литият става част от отрицателния електрод в иновативната батерия на Уитингам. Този избор не е случаен, в батерията електроните трябва да се движат от отрицателния електрод (анод) към положителния (катод). Затова анодът трябва да е направен от материал, който лесно отдава електроните си и от всички елементи, литият отдава електрони най-лесно. Резултатът е презареждаща се литиева батерия, която работи при стайна температура и има голям потенциал. Срещата с мениджърския екип, на която Уитингам представя откритието си продължава около петнадесет минути и се взима решението компанията да разработва батерии за масова употреба.
Батерията експлодира и цените на петрола спадат
За съжаление, екипът, който започва да произвежда батерията, преживява инцидент. Когато новата батерия се зарежда многократно, върху литиевия електрод се образуват тънки нишки (мустаци) от литий. Когато достигат до другия електрод, батерията прави късо съединение, което може да доведе и до експлозия. Пожарните екипи гасят неколкократни пожари и накрая заплашват да наложат на лабораторията такса за специалните химикали, използвани за гасене на литиевите пожари.
За да бъде по-безопасна батерията, към литиевия електрод се добавя алуминий и се сменя електролита между електродите. Уитингам съобщава за откритието си през 1976 г. и батерията започва да бъде произвеждана в малък мащаб за швейцарски производител на часовници, който иска да използва слънчева енергия за захранване. Следващата цел е създаването на презареждаща се литиева батерия, която може да захрани автомобил.
Но цените на горивата спадат значително в началото на 80-те години и Exxon трябва да направи съкращения. Развойната дейност е прекратена и технологията за батерията на Уитингам е дадена на компании в три различни части на света. Но това не означава, че развитието спира. Когато Exxon се отказва, Джон Гудинаф продължава.
Когато се зарежда батерия с чист литий в анода, се образуват "мустаци" от литий. Те могат да направят късо съединение в батерията и да причинят пожари и дори експлозии. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Кризата с петрола кара Гудинаф да се заинтересува от батерии
Като дете Джон Гудинаф има сериозни проблеми да се научи да чете, което е една от причините да бъде привлечен от математиката и след Втората световна война и от физиката. Той работи много години в лабораторията Линкълн в Масачузетския технологичен институт. Докато е там, той участва в разработването на RAM (random access memory), което все още е фундаментален компонент в компютрите.
Гудинаф, както и много други през 70-те години е засегнат от петролната криза и търси начин да допринесе за развитието на алтернативните източници на енергия. Но лабораторията Линкълн е финансирана от военно-въздушните сили на САЩ и не всякакъв вид изследвания са разрешени. Затова когато получава предложение за позицията на професор по неорганична химия в Университета Оксфорд във Великобритания, Гудинаф се възползва от шанса и влиза в света на изследването на енергията.
Висок волтаж, когато литият е скрит в кобалтов оксид
Джон Гудинаф знае за революционната батерия на Уитингам, но опитът му върху строежа на веществата му подсказва, че катодът може да достигне по-висок потенциал ако е изграден с метален оксид, вместо с метален сулфид. Тогава негови колеги са натоварени със задачата да открият метален оксид, който дава висок волтаж, когато се интеркалира с литиеви йони, но и не се разпада когато йоните бъдат отстранени.
Систематичното търсене на Гудинаф се оказва по-успешно, отколкото той очаква. Батерията на Уитингам генерира повече от два волта, но Гудинаг открива, че използвайки литиево-кобалтов оксид в катода, батерията става почти двойно по-мощна - четири волта.
Един от ключовете за този успех е идеята на Джон Гудинаф, че не е необходимо батериите да се произвеждат в заредено състояние, както е правено дотогава. Вместо това те могат да бъдат заредени по-късно. През 1980 г. той публикува откритието на този нов, енергийно плътен материал за катоди, който въпреки ниското си тегло води до мощни батерии с голям капацитет. Това е решителна стъпка към безжичната революция.
Гудинаф започва да използва кобалтов оксид в катода на литиевата батерия. Това почти удвоява потенциала на батерията и го прави много по-мощен. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Японските компании искат леки батерии за нова електроника
Тъй като петролът на Запад става по-евтин, интересът намалява към инвестициите в алтернативни енергийни технологии и развитието на електромобили. В Япония нещата стоят по друг начин. Електронните компании отчаяно се нуждаят от леки, акумулаторни батерии, които могат да захранват иновативната електроника като видеокамери, безжични телефони и компютри. Човекът, който забелязва тази нужда, е Акира Йошино от корпорация Асахи Касей (Asahi Kasei). Или както той го казва: „Аз просто подуших посоката, в която се движат тенденциите. Може да се каже, че имам добро обоняние".
Йошино създава първата работеща литиево-йонна батерия за пазара
Когато Акира Йошино (Akira Yoshino) решава да разработи функционална акумулаторна батерия, той вече има на разположение литиево-кобалтовия оксид на Джон Гудинаф за катод и опитва да намери подходящ материал на въглеродна основа за анод.
Преди това други изследователи откриват, че литиевите йони могат да се интеркалират (вмъкнат) в молекулните слоеве в графита, но графитът се разгражда от електролита на акумулатора.
Моментът на голямото откритие идва за Акира Йошино, когато решава да използва петролен кокс, страничен продукт от нефтената индустрия. Когато зарежда петролния кокс с електрони, литиевите йони се изтеглят в материала. Когато включва акумулатора, електроните и литиевите йони се насочват към кобалтовия оксид в катода, който има много по-голям потенциал.
Батерията, разработена от Акира Йошино, е стабилна, лека, има голям капацитет и произвежда забележителните четири волта. Най-голямото предимство на литиево-йонната батерия е, че йоните се интеркалират в електродите. Повечето други батерии се основават на химични реакции, при които електродите се променят бавно, но сигурно. Когато литиево-йонната батерия се зарежда или използва, йоните протичат между електродите, без да реагират със заобикалящата ги среда. Това означава, че батерията има дълъг живот и може да се зарежда стотици пъти, преди да се влоши работата й.
Акира Йошино (Akira Yoshino) използва литиево-кобалтовия оксид на Гудинаг за катода, а за анода използва въглерод, петролен кокс, който също може да интеркалира литиеви йони. Функционалността на батерията не се основава на вредни химически реакции. Вместо това литиевите йони се движат напред-назад между електродите, което дава на батерията дълъг живот. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Друго голямо предимство е, че в батерията не се влага чист литий. През 1986 г. Акира Йошино тества безопасността на батерията, използвайки съоръжение, предназначено за тестване на експлозиви. Той пуска голямо парче желязо върху батерията, но нищо не се случва. Но при повторение на експеримента с батерия, съдържаща чист литий, се получава бурна експлозия.
Преминаването на тестовете за безопасност е от основно значение за бъдещето на батерията. Акира Йошино отбелязва, че това е „моментът, в който се е родила литиево-йонната батерия“.
Литиево-йонната батерия - необходимост за едно общество без фосилни горива
През 1991 г. една голяма японска компания за електроника започва да продава първите литиево-йонни батерии, които довеждат до
до революция в електрониката. Мобилните телефони стават малки, компютрите стават преносими, разработени са таблетите и MP3 плейърите.
Впоследствие изследователи от цял свят претърсват периодичната система, за да създадат по-добри батерии, но никой все още не е успял да измисли нещо, което да има по-висок капацитет и напрежение от литиевата батерия. Въпреки това, литиево-йонната батерия претърпява много подобрения. Освен всичко друго, Джон Гудинаф заменя кобалтовия оксид с железен фосфат, което прави батерията по-екологична.
Както почти всичко останало, производството на литиево-йонни батерии оказва влияние върху природата, но има и огромни ползи за околната среда. Батерията позволява развитието на по-чисти енергийни технологии и електромобили, като по този начин допринася за намаляване на емисиите парникови газове и прахови частици.
Откритията на Джон Гудинаф, Стенли Уитингам и Акира Йошино създават добри условия за безжично и безфосилно общество. Тяхната работа е полезна за цялото човечество.
Източник: The Nobel prize - Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019
Още по темата
Физика
Нобеловата награда за химия 2019 г. се присъжда за разработването на литиево-йонни батерии
Физика
Български учени създадоха батерия от ново поколение
Технологии
Tesla ще създаде най-голямото хранилище на енергия в Австралия (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари