Історія створення літій-іонної батареї

Наприкінці 1970-х років група вчених з усього світу почала розробку того, що стане літій-іонною батареєю, різновидом акумуляторної батареї, яка згодом буде живити все, від портативної електроніки до електромобілів і мобільних телефонів.

У  2019 році Нобелівську премію з хімії присудили трьом вченим, Джону Б. Гуденафу, М. Стенлі Віттінгему та Акірі Йошіно, за їхню роботу над розробкою цієї батареї.

Згідно з офіційною організацією Нобелівської премії, «цей легкий, перезаряджуваний і потужний акумулятор зараз використовується у всьому, від мобільних телефонів до ноутбуків і електромобілів. Він також може зберігати значну кількість енергії сонячної та вітрової енергії, що робить можливим суспільство без викопного палива».

Історія літій-іонної батареї

Під час нафтової кризи в 1970-х роках Стенлі Віттінгем, англійський хімік, який на той час працював у Exxon mobile, почав досліджувати ідею нової батареї – такої, яка могла б самостійно заряджатися за короткий проміжок часу та, можливо, одного разу це призведе до отримання енергії без використання викопного палива.

У своїй першій спробі він спробував використати дисульфід титану та металевий літій як електроди, але ця комбінація створила кілька проблем, включаючи серйозні проблеми з безпекою. Після того, як батареї замикалися і спалахнули, Exxon вирішила припинити експеримент.

Однак у Джона Б. Гуденафа, який зараз є професором техніки Техаського університету в Остіні, була інша ідея. У 1980-х роках він експериментував із використанням літій-кобальт-оксиду як катода замість дисульфіду титану, що окупилося: батарея подвоїла свій енергетичний потенціал.

Через п'ять років Акіра Йосіно з Університету Мейджо в Нагої, Японія, здійснив ще один обмін. Замість використання реакційноздатного металевого літію як анода він спробував використати вуглецевий матеріал, нафтовий кокс, що призвело до революційного відкриття: нова батарея не тільки була значно безпечнішою без металевого літію, але й продуктивність батареї була стабільнішою, таким чином створивши перший прототип літій-іонної батареї.

Разом ці три відкриття привели до літій-іонної батареї, якою ми її знаємо.

Створення кращої батареї за допомогою електронної мікроскопії та спектроскопії

Незважаючи на те, що ринок літій-іонних акумуляторів продовжує зростати двозначними темпами, проблема полягає в розробці безпечніших, довговічніших і щільніших батарей. Щоб допомогти в цьому дослідженні, багато вчених звертаються до різних аналітичних методів для вивчення компонентів акумулятора на різних етапах їх життєвого циклу.

Використовуючи такі методи візуалізації, як мікроКТ та електронна мікроскопія, вчені можуть створювати 2D та 3D зображення, що дозволяє їм бачити батарею в повному масштабі, від рівня клітини до рівня атома. Звідси вони можуть розвинути фундаментальне розуміння матеріалів батареї на основі мікроструктурної інформації, отриманої із зображень.

Щоб вивчити еволюцію змін структури та складу матеріалів, а також утворення дефектів, вчені звертаються до спектроскопії, такої як комбінаційне розсіювання, ЯМР, рентгенівська дифракція та мас-спектрометрія. Використовуючи ці методи, дослідники можуть аналізувати матеріали електродів під час заряджання та давати інформацію, яку вони інакше не побачили б.

Продовження пошуку довговічніших батарей з високою щільністю енергії

Університети та підприємства по всьому світу продовжують досліджувати способи створення безпечніших, потужніших акумуляторів, які служать довше та працюють навіть за суворих погодних умов.

Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, наприклад, намагаються покращити щільність енергії літій-іонної батареї, додавши кремній до анода. Вони також розробляють батарею, яка може працювати при температурах до -60°C, порівняно з поточним обмеженням у -20°C для літій-іонних батарей.

Літій-іонні акумулятори зробили революцію в сучасному житті. Як сказав Віттінгем на нещодавній конференції, «літієві батареї вплинули на життя майже кожного у світі». Він все ще працює над дослідженням акумуляторів, і ми раді бачити, як виграш Нобелівської премії сприяє розвитку галузі.