97-летний нобелевский лауреат в области химии ходит в лабораторию каждый день

97-летний нобелевский лауреат в области химии ходит в лабораторию каждый день

В этом году Нобелевскую премию по химии получили американец Джон Гуденаф, англичанин Стэнли Уиттингем и японец Акира Есино. Комитет премии наградил ученых за разработку литий-ионных аккумуляторов. 

По словам представителей Шведской королевской академии наук, без этих батарей не существовало бы современного беспроводного мира. На них работают большинство гаджетов — от мобильных телефонов и ноутбуков до электромобилей. Такие аккумуляторы могут заряжаться из возобновляемых источников энергии — солнца и ветра.

Награду в 9 миллионов шведских крон (910 тысяч долларов) ученые поделят между собой в равных частях.

Как появились литий-ионные аккумуляторы

Первые исследования по батареям на основе лития вел американский физикохимик Г. Н. Льюис в 1912 году. На тот момент его разработки было невозможно воплотить в жизнь по техническим причинам. 

Во время нефтяного кризиса 1970-х годов Стэнли Уиттингем занялся литиевыми аккумуляторами. Ученый хотел, чтобы техника продолжала работать, когда на планете не останется полезных ископаемых. В итоге, он создал прототип обычной батарейки, которую мы используем в часах, пультах дистанционного управления и пленочных фотоаппаратах. Главный недостаток такого типа аккумулятора — он не перезаряжается. Позже Джону Гуденафу удалось увеличить производительность литиевой батареи в два раза.

К разработкам европейских ученых подключился Акира Есино. С начала 1980-х он пытался создать перезаряжаемый аккумулятор, добавляя к литию другие элементы. В конце концов, у японского химика получилось соединить литий с его ионами. В 1985 году Есино запатентовал свое изобретение, поэтому именно он считается создателем литий-ионных батарей. 

Первую коммерческую версию корпорация Sony выпустила в 1991 году.

Что сделал Стэнли Уиттингем

Стэнли Уиттингем. Фото: Binghamton University

Стэнли Уиттингем родился в 1941 году в Англии. Окончил Оксфордский университет, где получил степень доктора наук в 1968 году. Сейчас является профессором Бингемтонского университета в Нью-Йорке. С 1972 по 1984 годы работал на нефтяную компанию Exxon, которая начала изготавливать литиевые аккумуляторы по разработкам Уиттингема.

Элементы, которые использовались при создании батарей, были очень дорогостоящими. Один из них — TiS2 — имеет резкий неприятный запах. Литий сам по себе — очень реактивный элемент, который горит при контакте с кислородом и водой. Таким образом, аккумуляторы с металлическими литиевыми электродами опасно использовать вне лаборатории. В итоге их так и не выпустили для практического использования.

Дальнейшие исследования были направлены на разработку батарей, в которых вместо металлического лития используются только соединения лития. Они имеют свойство принимать и высвобождать ионы лития.

Что сделал Джон Гуденаф

Джон Гуденаф получил Национальную научную медаль США в 2013 году. Фото: National Science & Technology Medals Foundation

Джон Гуденаф родился в Йене в 1922 году. Закончил Йенский университет в 1944 году, после чего служил в американской армии. В 1947 году защитил диссертацию в Чикагском университете. На данный момент Гуденаф работает в Техасском университете. По словам его коллеги Билла Дэвида, профессор до сих пор ходит в лабораторию каждый день. Он разрабатывает новый вид аккумулятора, где вместо металла используется стекло.

Ученый предложил использовать в литиевых аккумуляторах кобальт. Свои исследования он проводил для компании Nippon Telegraph and Telephone в США и Японии. Его разработка легла в основу литий-ионной батареи, созданной Акирой Есино. В 1991 году Sony запатентовала изобретение японца. Вскоре оказалось, что в аккумуляторах использовались наработки Гуденафа. Тогда американский химик не смог доказать свою причастность к созданию литий-ионной батареи. Только в 2014 году его вклад отметили премией Национальной инженерной академии США, а в 2015-м он получил грант на миллион долларов от Израиля. Все деньги ученый передал Техасскому университету на научные исследования.

Что сделал Акира Есино

Акира Есино в 2018 году на вручении премии Японии. Фото: Japan Prize Foundation 

Есино родился в Японии в 1948 году. Закончил Киотский университет, а диссертацию защитил в Осаке. Сейчас работает в университете города Мейхо.

Первые попытки создать аккумулятор с возможностью повторной зарядки ученый предпринял в 1981 году. Он долго экспериментировал, соединяя разные элементы с литием. В 1983 году химик изготовил первую перезаряжаемую батарею, используя оксид лития-кобальта. Она стала предшественником современного литий-ионного аккумулятора.

В 1985 году Есино запатентовал первый прототип, который продал Sony и A & T Battery (совместное предприятие Asahi Kasei и Toshiba).

Что получилось

Ученые выбрали литий, потому что это самый легкий из всех металлов и он обладает самой большой энергоемкостью на единицу веса. В результате получился легкий, практичный аккумулятор, который можно заряжать бесконечное количество раз. Большим преимуществом батареи является и то, что она не нуждается в обслуживании. Такой аккумулятор служит очень долго, если придерживаться простых правил эксплуатации.

Еще один плюс литий-ионных батарей: они основаны не на химических реакциях, которые разрушают электроды, а на ионах лития. Они протекают вперед и назад между катодом (электрод, из которого вытекает электрический ток) и анодом (электрод, в который втекает электрический ток) во время зарядки.

Структура литий-ионного аккумулятора. Фото: twitter.com/NobelPrize 

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Нобелевскую премию по физике-2019 дали за исследования космоса