На зарядку становись

Нобелевская премия по химии в 2019 году присуждена Джону Гуденафу (США), Стэнли Уиттингему (Великобритания) и Акире Иоcино (Япония) за разработку литий-ионных аккумуляторов. Комитет отмечает, что своими разработками лауреаты «открыли доступ человечеству к технической революции». Российские же ученые заявили “Ъ” также об их вкладе в фундаментальную науку, в частности в химию твердого тела.

Акира Иосино

Фото: Issei Kato, Reuters

Нобелевский комитет в своем релизе заявил, что Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Иосино «создали перезаряжаемый мир». «Благодаря ученым, которым сегодня присуждена премия, мы получили доступ к технической революции,— отметили представители комитета во время объявления результатов.— Они разработали легковесные батареи с большим потенциалом использования для различного назначения.

Такие батареи используются повсеместно — в автомобилях, мобильных телефонах, медицинском оборудовании, весят менее одного килограмма, способны хранить энергию, полученную от возобновляемых источников, например ветра.

Это открывает возможности устойчивого и экологического энергопотребления». «Литий-ионные батареи революционно изменили нашу жизнь, выйдя на рынок в 1991 году,— сообщается в релизе комитета.— Они заложили основу беспроводного общества, в котором больше не нужно углеводородное топливо, их появление — одна из величайших услуг, оказанных человечеству».

1 / 3

Старший научный сотрудник химического факультета МГУ Даниил Иткис напомнил “Ъ”, что аккумуляторы — устройства, которые накапливают энергию в форме химических связей. «До этого (появления литий-ионных батарей.— “Ъ”), когда эти связи перестраивались, происходило полное изменение структуры электродов,— сказал он.— Если посмотреть на самый известный свинцово-кислотный аккумулятор, то там из свинца и оксида свинца четыре появляются новые соединения, растут новые кристаллы. Получившие Нобелевскую премию ученые фактически создали материалы, которые внедряют ионы внутрь своей структуры. Таким образом, существенной перестройки не происходит, поэтому аккумуляторы стали работать существенно дольше и запасать намного больше энергии». То есть, по словам эксперта, новые Нобелевские лауреаты «предложили материалы, которые сделали возможным даже немного другой принцип работы аккумулятора».

Как рассказал господин Иткис, у современных свинцово-кислотных аккумуляторов количество запасаемой энергии составляет 30–40 ватт-час в 1 кг устройства, а литий-ионные аккумуляторы запасают до 250 ватт-часов в 1 кг.

«Когда они только появились, эта цифра была около 100 ватт-час на килограмм. И за последние 30 лет эта способность, естественно, улучшилось. Сегодня это основная технология для всей портативной электроники, да уже и для электромобилей. Это перевернуло развитие многих технологий»,— отметил господин Иткинс. Он также отметил, что разработки лауреатов очень важны и с точки зрения фундаментальной науки: «Это триумф химии твердого тела».

Завкафедрой электрохимии химического факультета МГУ, профессор Сколтеха Евгений Антипов также отметил, что разработки, отмеченные Нобелевским комитетом, важны «не только с точки зрения технологий, это новый шаг в науке»: «Стэн Уиттингем показал возможности обратимого внедрения и извлечения лития в структуру соединения с модификацией свойств в сульфидах переходных металлов. Он пытался это коммерциализировать и сделать литий-ионный аккумулятор. Но характеристики аккумуляторов, которые делал Стэн, были не очень привлекательны для коммерческого производства».

Далее, рассказал господин Антипов, Джон Гуденаф с коллегами открыл в 1980 году новый материал — литий-кобальт O2 (LiCoO2), который можно использовать в таких накопителях энергии, над которыми работал Стэнли Уиттингем и которые обладают гораздо большей удельной энергией: «А их японский коллега создал анодный материал. Для аккумулятора крайне важна пара электродов, элетролитов. И анодный материал на основе углерода можно использовать в этих аккумуляторах и многократно производить заряды-разряды». Он напомнил, что первым производителем литий-ионных батарей стала компания Sony.

Господин Антипов добавил, что нынешние лауреаты «не остановились на своих достижениях»: «Джон Гуденаф предложил еще целый ряд интересных материалов, в частности литий-феррум PO4 (LiFePO4), который называется феррофосфат. Он абсолютно безопасен и имеет множество преимуществ по сравнению с литий-кобальт O2. Плюс ко всему Джон Гуденаф во многом повлиял на развитие современной науки. Он, физик по образованию, привнес понимание физических свойств химических соединений через их электродное строение, которое определяется их кристаллической структурой».

Евгений Антипов рассказал, что соратник Джона Гуденафа Кейт Стивенсон уже много лет работает в Москве, в Сколковском институте науки и технологий (Сколтех):

«Мы его пригласили, когда создавался центр электрохимической энергетики. Кейт Стивенсон стал директором этого центра, сейчас он первый проректор Сколтеха. Поэтому можно сказать, что влияние Джона Гуденафа у нас очень сильно и мы очень счастливы за эту Нобелевскую премию».

Господин Антипов также отметил, что в настоящее время структура рынка литий-ионных аккумуляторов стремительно меняется: «Если раньше в основном это была портативная электроника, то сейчас значимый сегмент — это электромобили. При этом электромобили — это не только экология, чистота, бесшумность, но еще и более эффективное использование природных ресурсов. Эффективность использования энергии, которую вы закачали в аккумулятор в электромобиль, превышает 90%, что касается использования бензина, то там около 20% эффективности». Он, как и представители Нобелевского комитета, напомнил, что литий-ионные аккумуляторы позволяют сохранить энергию, полученную из возобновляемых источников, в частности в пиковые часы работы ветрогенераторов: «Вам не требуется столько энергии, вы должны ее сохранить, накопить. И сейчас стремительно развиваются стационарные накопители электроэнергии на базе литий-ионных аккумуляторов».