Три исследователя, разработавшие технологию, лежащую в основе эпохи смартфонов - и последовавшей за ней социальной трансформации, - получили Нобелевскую премию по химии 2019 года. Работы Джона Б. Гуденафа, Стэнли Уиттингема и Акиры Йошино сделали важные открытия в литий-ионных батареях, которые накапливают большое количество энергии в небольших аккумуляторных элементах и быстро и легко перезаряжаются.
Эти типы батарей, впервые проданные Sony в 1991 году для своих видеокамер, годятся не только для портативной бытовой электроники. Они находятся в центре двух других технологических революций, способных преобразовать общество: переход от двигателей внутреннего сгорания к электромобилям и переход от электросети, работающей на ископаемом топливе, к генераторам возобновляемой энергии, которые хранят излишки электроэнергии в батареях для будущее использование.
Так как же работают эти батарейки? Ученые и инженеры всю свою карьеру пытались создать батареи лучшего качества, и все еще остаются загадки, которые мы не до конца понимаем. Улучшение аккумуляторов требует от химиков и физиков изучения изменений на атомном уровне, а также от инженеров-механиков и электриков, которые могут спроектировать и собрать аккумуляторные блоки, питающие устройства. Как специалист по материалам Вашингтонского университета и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, моя работа помогла исследовать новые материалы для литий-воздушных батарей, магниевых батарей и, конечно же, литий-ионных батарей.
Рассмотрим день из жизни двух электронов. Назовем одного из них Алекс, и у него есть друг по имени Джордж.
Анатомия батареи
Алекс живет внутри стандартной щелочной батарейки АА, как в вашем фонарике или пульте дистанционного управления. Внутри батареи AA есть отсек, заполненный цинком, а другой - оксидом марганца. С одной стороны, только цинкслабо держится на электронахкак Алекс. С другой стороны, оксид марганцамощно тянетэлектроны к себе. Между тем, чтобы электроны не переходили прямо с одной стороны на другую, находится лист бумаги, пропитанный раствором калия и воды, которые сосуществуют как положительные ионы калия и отрицательные ионы гидроксида.
Когда аккумулятор вставлен в устройство и включен, внутренняя цепь устройства замыкается. Алекс вытаскивается из цинка через цепь в оксид марганца. По пути его движение приводит в действие устройство, лампочку или что-то еще, подключенное к батарее. Когда Алекс уходит, он не может вернуться: цинк, который потерял электронную связь с гидроксидом, образует оксид цинка. Это соединение чрезвычайно стабильно и не может быть легко превращено обратно в цинк.
На другой стороне батареи оксид марганца получает атом кислорода из воды и оставляет ионы гидроксида, чтобы уравновесить гидроксид, потребляемый цинком. Когда все соседи Алекса оставили цинк и перешли на оксид марганца,батарея разряженаи подлежит переработке.
Литий-ионные преимущества
Давайте сравним это с Джорджем, который живет в литий-ионной батарее. Литий-ионные батареи состоят из тех же основных строительных блоков, что и щелочные элементы AA, с некоторыми отличиями, которые дают важные преимущества.
Джордж живет в графите, который даже слабее цинка удерживает электроны. А другая часть его батареи - это оксид лития-кобальта, который притягивает электроны гораздо сильнее, чем оксид марганца, что дает его батарее способность хранить гораздо больше энергии в том же объеме пространства, чем щелочная батарея. Раствор, разделяющий графит и оксид лития-кобальта, содержит положительно заряженные ионы лития, которые легко образуют и разрывают химические связи, когда батарея разряжается и заряжается.
