Наука и технологии 10 Октября 2019

Не просто батарейки

Нобелевскую премию по химии получили американец Джон Гуденаф, англичанин Стэнли Уиттингем и японец Акира Есино за разработку литий-ионных аккумуляторов
Не просто батарейки
Нобелевскую премию по химии получили американец Джон Гуденаф, англичанин Стэнли Уиттингем и японец Акира Есино за разработку литий-ионных аккумуляторов
nobelprize.org

Без этих устройств современные гаджеты были бы совсем иными: менее компактными, менее мощными и не столь долгоживущими. Стоит отметить, что Джон Гуденаф — ныне профессор Техасского университета в Остине — в возрасте 97 лет стал самым старым нобелиатом, побив рекорд Артура Эшкина, установленный в прошлом году.

«Выбор Нобелевского комитета — более чем достойный, и мы просто рады, что наконец-то этой группе ученых дали Нобелевскую премию, — сказал “Стимулу” заведующий кафедрой электрохимии МГУ профессор Евгений Антипов. — Это абсолютно ожидаемая награда. “За что?” — такой вопрос не задается. Открытие аккумуляторов, которые все мы с вами широко используем и будем использовать ещё больше, реально изменило нашу жизнь».

 

Технология для многомиллиардных рынков

Евгений Антипов, сотрудничавший с нобелевскими лауреатами, пояснил их вклад в развитие науки. По словам ученого, Уиттингем в 1970-е годы показал возможность обратимой интеркаляции лития, то есть внедрения-извлечения лития в слоистых сульфидных материалах переходных металлов. Эти сульфидные материалы — в отличие от кислотных аккумуляторов, где вещества преобразуются, растворяются, — работают без изменения кристаллической решетки. В них изменяется концентрация ионов лития и, соответственно, количество электронов в зоне проводимости, а также степень окисления переходного металла. Уиттингем показал принципиальную возможность работы этой технологии, но характеристики были невысокими, сопоставимыми со свинец-кислотными аккумуляторами. Индустрии не было смысла идти по новому пути.

magnifier.png «Первый показал принципиальную возможность, второй показал пригодность соединения LiCoO2 для этих целей, а третий коллега нашел “супружескую пару”, которая как раз и использовалась потом в коммерческом продукте компании Sony с 1991 года»

А Джон Гуденаф в 1980-е, работая с командой в Кембридже, показал, что для извлечения-внедрения лития можно использовать сложный оксид кобальта и лития LiCoO2. И его фундаментальная работа (она так и называется — «LiCoO2 как катодный материал для литий-ионных аккумуляторов с высокой удельной энергией» (то есть на единицу массы можно накапливать гораздо большую энергию) — во многом и задала направление работ. Но без пары, без анодного материала, который обеспечивал бы устойчивую работу катодного, аккумулятор не появился бы. И вот японский коллега предложил углеродный материал, в который можно так же обратимо внедрять литий и извлекать его.

«Первый показал принципиальную возможность, второй показал пригодность соединения LiCoO2 для этих целей, а третий коллега нашел “супружескую пару”, которая как раз и использовалась потом в коммерческом продукте компании Sony с 1991 года, — рассказывает Евгений Антипов. — И сейчас это миллиарды устройств, много миллиардов. Стремительно развивается рынок электромобилей, идет развитие возобновляемой энергетики, создаются новые солнечные элементы, ветряные генераторы. Они выдают много энергии, которую надо где-то быстро сохранить. И вот литий-ионные аккумуляторы позволяют это сделать. Они работают в широком диапазоне температур, практически не теряют заряд, при этом могут быть компактными. Это поменяло современную энергетику, транспорт, даже рыбацкие лодки уже работают на литий-ионных аккумуляторах. Это поменяло во многом нашу жизнь»

magnifier.png «Они работают в широком диапазоне температур, практически не теряют заряд, при этом могут быть компактными. Это поменяло современную энергетику, транспорт, даже рыбацкие лодки уже работают на литий-ионных аккумуляторах»

Но эти ученые еще и заложили фундаментальные знания, которые определили развитие современной науки, и поэтому их открытия имеют не только прикладное значение.

«Я знаю Стена Уиттингема и хорошо достаточно — Джона Гуденафа, — говорит Евгений Антипов. — Джон приезжал по нашему приглашению в МГУ, читал лекции, общался с молодежью, с нами. Это гениальный человек. Он создал целое направление в науке. Не просто литий-ионные аккумуляторы, а современную химию твердого тела, которая объясняет, почему то или иное химическое соединение проявляет те или иные физические свойства, например магнетизм — правила Гуденафа—Канамори, сверхпроводимость и так далее».

 

Как обстоят дела в России

«Мы все широко используем литий-ионные аккумуляторы, покупаем смартфоны, компьютеры, скутеры, электромобили, но серьезного производства у нас, к сожалению, нет, — сетует Евгений Антипов. — А это крайне важно для страны. В частности, в стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, которую подписал президент, отдельно прописана важность развития электрохимических накопителей энергии: без них невозможен электротранспорт, невозможна возобновляемая энергетика, и поэтому нам необходимо это развивать».

magnifier.png В 1950–1970-е годы в России были серьезные ученые в этой области, в частности академик Александр Фрумкин. Многие его теоретические работы легли в основу создания сегодняшних химических источников тока, причем не только литий-ионных

В 1950–1970 годы прошлого века в России были серьезные ученые в этой области, в частности академик Александр Фрумкин — знаменитый электрохимик. Многие его теоретические работы легли в основу создания сегодняшних химических источников тока, причем не только литий-ионных. Но этап коммерциализации этих разработок пришелся в основном на 1990-е годы, а это был, как известно, крайне тяжелый период для российской науки. Тем временем во всем мире перевод технологии производства литий-ионных аккумуляторов на коммерческие рельсы шел полным ходом.

Первую попытку создания масштабного производства литий-ионных аккумуляторов нового поколения для энергетики и электротранспорта в России предприняла корпорация «Роснано». В декабре 2011 года в рамках проекта был запущен завод «Лиотех» — крупнейшее в мире предприятие по производству Li-Ion-накопителей энергии. Но проект этот, к сожалению, чуть не погиб и пока далек от успеха (подробно кейс «Лиотеха» будет разобран в рамках нашего спецпроекта «Инновации: разбор полетов»).

Сейчас на базе Сколтеха действует Центр по электрохимическому хранению энергии, он был создан совместно с Массачусетским технологическим институтом и МГУ, директор центра — соратник Джона Гуденафа профессор Кейт Стивенсон.

«Основной упор мы делаем на два направления, — рассказывает Евгений Антипов. — С одной стороны, мы уже создали небольшое производство современных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, а с другой — делаем принципиально новые материалы для натрий- и калий-ионных аккумуляторов, где вместо лития используется натрий либо калий в качестве иона, который перемещается внутри аккумулятора от одного электрода к другому при его заряде и разряде».

Евгений Антипов в этом центре является руководителем проекта, под который выделен крупный грант Российского научного фонда. Разработка входит в президентскую программу «Создание научных основ натрий-ионных аккумуляторов».

«У них есть определенные преимущества, есть и недостатки, — поясняет Евгений Антипов. — Но они найдут свой рынок, свою область применения. Их очевидное преимущество: натрия много, лития — мало, благодаря этому натрий — дешевый, литий — дорогой. В случае натрий-ионного аккумулятора можно использовать в качестве источника токоподвода алюминиевую фольгу, потому что натрий с алюминием не образует сплава, а в случае лития мы должны использовать медную фольгу, которая намного дороже».

magnifier.png Сейчас на базе Сколтеха действует Центр по электрохимическому хранению энергии, он был создан совместно с Массачусетским технологическим институтом и МГУ, директор центра — соратник Джона Гуденафа профессор Кейт Стивенсон

Это экономическая сторона, но есть научно-техническая составляющая: ионный транспорт натрия может быть быстрее, чем транспорт лития, поэтому аккумулятор может иметь более высокие мощностные характеристики — количество энергии в единицу времени, которую мы закачиваем в аккумулятор, либо извлекаем из него. К недостаткам относится то, что натрий более тяжелый, удельная энергия ниже, чем у литий-ионного аккумулятора при прочих равных условиях.

«Есть проблема анодного материала, — продолжает ученый. — Мы с коллегами из Сколтеха как раз работаем в этом направлении, и наша деятельность вполне конкурентоспособна. Но нужна серьезная государственная программа, потому что накопители энергии — это не просто батарейки, во многом это состояние технологий в нашем обществе. Мы проводим работы по созданию новых знаний, новых материалов и одновременно разрабатываем технологии, которые затем можно тиражировать и внедрять в промышленное производство. У нас в МГУ есть талантливая молодежь, которая делает хорошие работы в этой области, они публикуются в хороших журналах, мы патентуем эти разработки. Но процесс должен развиваться намного стремительнее, поскольку Россия – далеко не лидер в этой области — как в производстве, так и в количестве и качестве научных изысканий».

Еще по теме:
21.10.2019
Ученые Томского политехнического университета планируют отправить на МКС для испытаний свои иллюминаторы со специальным ...
15.10.2019
В НИТУ МИСиС заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило заданный алг...
09.10.2019
Нобелевская премия по физике 2019 года досталась ученым, которые, согласно официальной формулировке Шведской Королевской...
08.10.2019
Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине 2019 года стали Грегг Л. Семенца, Питер Дж. Рэтклифф и Уильям Г. ...
Наверх