Нобелевская премия по химии 2019
Для тех, кто в танке, за что? 🌚
За разработку литий-ионных аккумуляторов
«Премия этого года посвящена перезаряжаемому миру», — генеральный секретарь Королевской шведской академии наук Горан Хансон перед оглашением фамилий лауреатов
Давайте познакомимся с лауреатами:
Джон Гуденаф
Самый пожилой за всю историю лауреат Нобелевской премии (97 лет)
Родился в 1922 году в Германии, после первой мировой войны. Вскоре с семьёй переехали в США. Окончил с отличием Йельский университет (1944), после чего некоторое время служил в армии США.
В 1947 году защитил диссертацию по физике в Чикагском университете. Заметьте, по физике! Гуденаф отличный пример человека, который показывает как важны междисциплинарные исследование.
Это как в школе. Я лучше стала понимать химию, когда начала углублений изучать математику, биологию. Даже в русском языке мне помогало то, что я изучаю химию. И наоборот. Многое взаимосвязано. Изучением строго чего-то одного не вывезешь.
1980 г. — предложил использовать кобальтат лития (оксид лития-кобальта(III): LiCoO2) как материал для катода в батарейках. Собственно за это и Нобелевка. Но об этом, чуть позже)
А да, очень популярный запрос в англоязычном нете, как Гуденаф смеётся. Действительно прекрасно, посмотрите ^-^
Стэнли Уиттингем
Собственно из картинки всё видно. Единственное, разрабатывать литий-ионный аккумулятор Стэнли начал ещё когда работал в нефтяной компании, она и спонсировала разработку. (Нефть дорожала, все искали альтернативные источники энергии).
Да, по сути он первый, кто создал литий-ионный аккумулятор. Но он был совсем далек от идеала и не было смысла вводить его в коммерцию.
Акиро Ёсино
Так, есть катод разработанный Гуденафом, есть образец Li-ion аккумулятора Уиттингема. Ну, чего ждём?
Акира тот, кто реализовал идею в материальный мир (в масштабное производство). И вообще-то он ещё создал анод для Li-ion аккумулятора (но об этом чуть позже). В общем, Акира молодец.
Йошино запустил массовый выпуск Li-ion аккумуляторов, который начался в 1985 году.
— Путь от предложения Гуденафом кобальтата лития в качестве материала для катода до создания первого промышленного образца батареи был пройден всего за пять лет. Это можно считать рекордной скоростью внедрения идей высокой науки в практику, — считает руководитель группы материалов для литий-ионных аккумуляторов Института химии твердого тела и механохимии СО РАН Нина Косова.
Устройство Li-ion аккумулятора.. А не, давайте сначала вспомним или узнаем как было до
На рынке было только два типа аккумуляторов: свинцовые (которые до сих пор используются в бензиновых автомобилях) и никель-кадмиевые. Ни те, ни другие не могли удовлетворить новых запросов промышленности.
Фиг вам, а не айфоны, ноутбуки, планшеты, электромобили и прочее, подобное
Вот так бы и ходили сейчас, если бы не супер перцы, которые получили Нобелевку по химии в 2019 году.
Вот так:
Мне кажется, там 5 минут поговорил, пошёл отдельно на массаж руки записываться.. Извините, отнялась😅
Первая модель «портативного» телефона была представлена компанией MOTOROLA в 1973 году. Мужик слева на фото — Мартин Купер, он его и создал, радостный держит своё детище в руке.
Модель по центру — компания NOKIA. Представляете как понтово было идти с таким чемоданчиком в руке и брать трубку, словно доставать меч короля Артура ^-^. Да, да для обычных смертных цена на первые портативные телефоны была неподъёмной.
А всё почему они были такими большущими? Так потому что не было тогда Li-ion аккумуляторов. Были громоздкие — свинцовые, буээ.
Плюсы Li-ion мы ещё обсудим, но уже сейчас стоит сказать, что их можно делать любой, ЛЮБОЙ формы. Хочешь плоский прямоугольничек? Пожалуйста, можешь ставить в айфон. Хочешь длинную палку? Пожалуйста, можешь ставить в ноут. Хочешь для электромобиля? Так не вопрос, сделаем. Ух, как портативненько получается.
Собственно благодаря этим аккумуляторам мы и живём сейчас с вами в таком прекрасном, портативном мире.
Портативный — удобный для ношения при себе, для переноски. Может быть перемещен из одного места в другое.
Вот.
Теперь, когда вы поняли всю значимость работы Нобелевских лауреатов по химии 2019. Когда вы поняли, что сами ежедневно пользуйтесь этим открытием. Когда вы поняли, что без него мир был бы не таким, какой сейчас.
Вот теперь, после осознания всей значимости. Осознали ведь да?
Устройство Li-ion аккумуляторов
Для начала, давайте разберёмся в устройстве более простых батареек. Принцип схожий, поэтому нам подойдёт.
Вот как так получается, что эти «банки» хранят в себе энергию и передают электрический ток в нужный нам момент? Что такого происходит в батарейке?
Разберём, на примере солевой батарейки, которую можно собрать самостоятельно.
И да, она работает:
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц в определённом направлении. Этими заряженными частицами могут быть электроны (электронный ток) или ионы (ионный ток).
Окислительно-восстановительные реакции можно разделить на два процесса: окисление одного из реагентов и восстановление другого. В батарейке эти процессы протекают в двух разных отсеках, отделённых друг от друга мембраной.
Например, в солевой батарейке (которую я держу выше на картинке в руке, самодельно собранная) в отсеке с MnO2 происходит процесс восстановления, а в отсеке с Zn процесс окисления.
В батарейке электроны движутся в определённом направлении, создавая электрический ток. Пока окислитель и восстановитель механически разделены с помощью мембраны, а проводки не соединены, реакция не идёт.
Когда проводки замыкаем на светодиоде (как на картинке) начинает протекать ОВР. Электроны начинают своё движение из отсека с цинком в отсек с оксидом марганца. Через мембрану (в данном случае — это вата) электроны пройти не могут. Поэтому сначала они двигаются через фольгу, потом по проводкам в светодиод (и он светится). Затем – снова по проводкам, и, наконец, через графитовый стержень попадают в отсек с оксидом марганца MnO2.
А если б мембраны не было, то ОВР происходила внутри батарейки и тогда светодиод — не засветился. Не дошёл бы до него ток.
Конечно, ещё стоит поговорить про электролит (в данном случае NH4Cl), что делает он, зачем он нужен? Но оставлю это вопросом для вас. Пишите свои ответы в коmmенты под постом.
В общем, поняли каким образом батарейка светодиод заставила светиться? Поняли как до него электрический ток дошел?
Вот оно устройство батарейки.
↓ Быстренько, отличие батарейки от аккумулятора ↓
Аккумулятор можно заряжать снова и снова (вспомните, что вы ежедневно делайте со своим смартфоном)
А батарейка сдохла и всё. Одноразовая, зараза.
Вернёмся к Стэнли и Li-ion аккумуляторам. Ведь именно он создал первый заряжаемый аккумулятор.
Тут важно понять вот такой термин:
Уиттингем показал возможность обратимой интеркаляции лития, то есть внедрения-извлечения ионов лития в слоистых сульфидных материалах переходных металлов.
Короче говоря, он создал многоразовую батарею (аккумулятор), которая не обладала большими размерами, а также не содержала невероятно едкий электролит* и ядовитые тяжелые металлы — в отличие от тех аккумуляторов, что используются в автомобилях и по сей день.
*Электролиты — вещества, которые в расплавах или растворах распадаются на ионы (диссоциируют) и поэтому их расплавы и растворы проводят электрический ток. Мы люди — ходячие электролиты.
Аккумулятор состоял из анода, металлического лития, и катода — сульфида титана (TiS2), разделенных мембраной. И анод и катод находились при этом в растворе электролита, проводящем электрический ток и содержащем литий.
При разрядке аккумулятора атом лития из анода терял электрон и в форме катиона двигался к катоду. Входя в сульфид титана, катион лития встраивался между его слоями. При этом атом титана получал электрон из электрической цепи, соединяющей катод и анод.
При зарядке литий ионного аккумулятора происходит обратный процесс: под действием приложенного электрического напряжения катионы лития выходят из катода и перемещаются к аноду. При этом катод теряет электроны, и они под действием приложенного напряжения движутся к аноду, соединяясь с катионами лития из катода и восстанавливая их.
Его исследования спонсировал нефтяной гигант Exxon, и дело уже двигалось к запуску опытного производства, вот только выяснилось, что предложенный Уиттингемом как материал электрода сульфид титана мало того что был дорог, так еще и начинал выделять сероводород при малейшем контакте с воздухом, распространяя ядовитые пары и чудовищный запах.
Проблему с материалом электродов решили как раз Гуденаф и третий лауреат, Акира Ёсино
Гуденаф со своей группой учёных подобрали материал, который не просто сравнялся по свойствам с сульфидом титана Уиттингема. Аккумуляторы на основе кобальтита лития выдавали примерно в два раза большее напряжение (4-5 вольт) за счет нового катодного материала, что кратно увеличило их энергоемкость.
Следующий шаг в 1985 году сделал Акира Ёсино. Он объединил успех Гуденафа с новым анодным материалом, предложив использовать вместо графита кокс, продукт термической обработки нефти. Дело в том, что кокс содержит в себе сажу — аморфный углерод — и графит. Такая смесь оказалась весьма стабильной в условиях электрохимической интеркаляции лития.
Благодаря этому в 1991 году компания Sony выпустила на рынок первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы.
Ну а теперь
Ну а что теперь, мы итак знаем. Мы пользуемся трудом этих учёных ежедневно в нашем современном мире (смартфоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты, электромобили и ещё многое, многое другое).
И это действительно то открытие, которое как нельзя лучше соответствует завещанию Альфреда Нобеля (его премия должна вручаться тем, чье открытие принесло наибольшую пользу человечеству).
И давайте подытожим плюсы и минусы Li-ion аккумуляторов
Минусы абсолютно не существенны, в сравнении с аналогами. А вот плюсы — ого-го какие хорошие!
Вот только мы всё равно каждый год видим новую презентацию айфона, а там
А там, улучшенная камера. Улучшенный процессор. Улучшенный дизайн. Но не было ещё такого, что ребята всё — 21 век по полной. Теперь телефон можно заряжать раз в 10 дней или раз в месяц. Или теперь телефон будет заряжаться полностью за одну минуту, а 😮.
Почему? Неужели прогресс остановился и нам из года в год ждать только обновлённую версию камеры?
Выход. Выход из этой ситуации скорей всего будет и в довольно обозримом будущем.
И знаете, кто за этим будет стоять (наверное, просто я верю). Вы не поверите, но всё тот же Джон Гуденаф, 97-летний учёный. Даааааа
Он до сих пор работает в Техасском университете в США.
Что если использовать не жидкий электролит, а твердотельный?
Как выяснили экспериментаторы, новый тип батарей обладает в три раза большей энергоёмкостью, быстрее заряжается, выдерживает температуру до −60°C, не взрывается от перегрева или повреждений оболочки и не вредит окружающей среде при утилизации. В качестве материала, накапливающего электроэнергию, в таком аккумуляторе используется не редкий и дорогой литий, а дешёвый натрий, который можно добывать из морской воды так же, как соль. Электролитом в новой батарее Гуденафа служит стекло, что позволяет применять в качестве анода щелочные металлы (например, натрий или калий). Риск возгорания такой батареи близок к нулю.
А то мы все знаем, как у некоторых людей взрывались бракованные Li-ion аккумуляторы. Особенно известные истории, как в руках у некоторых парителей взрывались вейпы, и им отрывало пальцы рук.
Вот, что будет, если механически повредить Li-ion аккумулятор:
«Стоимость, безопасность, энергоёмкость, скорость зарядки и продолжительность использования батареи — это критически важные показатели для дальнейшего распространения электромобилей. Мы считаем, что наша технология поможет решить многие проблемы, которым подвержены современные аккумуляторы», — прокомментировал своё изобретение Джон Гуденаф.
Кто знает, может за твердотельными аккумуляторами будущее, а может и нет. В любом случае, что-то измениться и уже в скором будущем. По крайней мере, моя интуиция думает так. А как считаете вы?)
В подготовки статьи помогли такие замечательные источники как:
https://regnum.ru
https://dic.academic.ru
https://melscience.comСпасибо за внимание, Танюха 💙