История создания литий-ионного аккумулятора

В конце 1970-х годов группа ученых со всего мира начала разрабатывать то, что впоследствии стало литий-ионной батареей, типом перезаряжаемой батареи, которая в конечном итоге будет питать все, от портативной электроники до электромобилей и мобильных телефонов.

В 2019 году Нобелевская премия по химии была присуждена трем ученым: Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Ёсино, за их работу по разработке этой батареи.

По данным официальной организации Нобелевской премии, «эта легкая, перезаряжаемая и мощная батарея теперь используется во всем, от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Она также может хранить значительные объемы энергии от солнечной и ветровой энергии, что делает возможным общество без ископаемого топлива».

История литий-ионного аккумулятора

Во время нефтяного кризиса 1970-х годов Стэнли Уиттингем, английский химик, работавший в то время в Exxon Mobile, начал изучать идею создания новой батареи, которая могла бы заряжаться самостоятельно за короткое время и, возможно, однажды это приведет к отказу от ископаемого топлива.

В своей первой попытке он попытался использовать дисульфид титана и металлический литий в качестве электродов, но эта комбинация создала несколько проблем, включая серьезные проблемы безопасности. После того, как батареи закоротили и загорелись, Exxon решила остановить эксперимент.

Однако у Джона Б. Гуденафа, в настоящее время профессора инженерии в Техасском университете в Остине, была другая идея. В 1980-х годах он экспериментировал с использованием оксида лития-кобальта в качестве катода вместо дисульфида титана, что окупилось: батарея удвоила свой энергетический потенциал.

Пять лет спустя Акира Ёсино из Университета Мэйдзё в Нагое, Япония, сделал еще один обмен. Вместо использования реактивного лития в качестве анода он попробовал использовать углеродистый материал, нефтяной кокс, что привело к революционному открытию: новая батарея не только стала значительно безопаснее без лития, но и ее производительность была более стабильной, что позволило создать первый прототип литий-ионной батареи.

В совокупности эти три открытия привели к созданию литий-ионного аккумулятора в том виде, в котором мы его знаем.

Создание лучшей батареи с помощью электронной микроскопии и спектроскопии

Хотя рынок литий-ионных аккумуляторов продолжает расти двузначными темпами, проблема заключается в разработке аккумуляторов, которые будут более безопасными, долговечными и с более высокой плотностью энергии. Чтобы помочь в этом исследовании, многие ученые обращаются к различным аналитическим методам для изучения компонентов аккумулятора на разных этапах их жизненного цикла.

Используя методы визуализации, такие как микроКТ и электронная микроскопия, ученые могут создавать 2D- и 3D-изображения, что позволяет им видеть аккумулятор в полном масштабе, от уровня клеток до атомного уровня. Отсюда они могут развить фундаментальное понимание материалов аккумулятора из микроструктурной информации, извлеченной из изображений.

Чтобы изучить эволюцию структурных и композиционных изменений материалов, а также образование дефектов, ученые обращаются к спектроскопии, такой как Рамановская спектроскопия, ЯМР, рентгеновская дифракция и масс-спектрометрия. Используя эти методы, исследователи могут анализировать материалы электродов по мере их зарядки и получать информацию, которую они иначе не увидели бы.

Продолжение поиска более долговечных и энергоемких батарей

Университеты и предприятия по всему миру продолжают изучать способы создания более безопасных, мощных, долговечных и работающих даже в суровых погодных условиях аккумуляторов.

Например, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего пытаются улучшить плотность энергии литий-ионного аккумулятора, добавляя кремний в анод. Они также разрабатывают аккумулятор, который может работать при температурах до -60 °C, по сравнению с текущим пределом в -20 °C для литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в современной жизни. Как сказал Уиттингем на недавней конференции, «Литий-ионные аккумуляторы повлияли на жизнь почти каждого человека в мире». Он все еще работает над исследованием аккумуляторов, и мы с нетерпением ждем, как Нобелевская премия поможет продвинуть отрасль вперед.