Литиевая эпоха

Литиевая эпоха

Смартфоны, ноутбуки, электромобили, солнечные электростанции и многое другое — изобретение нынешних нобелевских лауреатов по химии можно найти везде в повседневной жизни. В прошлом году мировой рынок литий-ионных батарей достиг $ 37,4 млрд с прогнозом роста до $ 92 млрд в 2024-м. Ученые основали новый многомиллиардный рынок, революционизировали индустрию электронных изделий — именно благодаря ним мобильные устройства так быстро вошли в нашу жизнь.
Литий-ионные батареи — прекрасный пример того, как из фундаментальных открытий складывается пазл простой, дешевой, доступной и революционной технологии. Физический принцип работы любой батареи универсальный и простой. Она состоит из двух электродов: анода и катода, подключенных к электрической цепи и разделенных раствором электролита. Между электродами также размещают сепаратор, ведь при прикосновении они создадут короткое замыкание. Когда батарея работает, разряжается, на аноде происходит химическая реакция окисления, в ходе которой высвобождаются электроны, питающие электрическую цепь, а катод «забирает» электроны с сети. Во время зарядки к батарее прикладывается внешнее электрическое поле, в результате чего процесс происходит в обратном направлении.
Прототип батареи по этой схеме сконструировал еще Алессандро Вольта в 1800 году. «Вольтов столб» состоял из медных и цинковых дисков, между которыми он клал пропитанную слабым раствором серной кислоты тряпку. Вольта был первым, кто доказал, что в батарее протекает электрический ток. Хотя  батарея не перезаряжалась, держала напряжение только до 1 В, но все же это был технический прорыв, и за демонстрацию изобретения Наполеон Бонапарт даровал Вольте титул графа.
Уже в середине XIX века Вильгельм Зинштеден и Гастон Планте реализовали свинцово-кислотную батарею. Она уже могла перезаряжаться, держала напряжение до 2 В, и сегодня похожие по принципу батареи распространены как автомобильные аккумуляторы. В конце века Вальдемар Юнгер и Томас Эдисон спроектировали две батареи на основе железа-никеля и никеля-кадмия.
Малая плотность энергии, которую запасают такие батареи, побудила ученых искать еще лучшие технические решения. Так они обратили внимание на литий. Самый легкий металл с низкой плотностью (третий элемент периодической таблицы, легче только водород и гелий) и высокой реактивностью — литий идеально подходил как составная часть батарей. К тому же среди всех металлов у него самый низкий электрохимический потенциал — он легко присоединяет и отдает электроны. Из-за высокой реактивности надо было защитить литий от воды и воздуха. Разработка не основанных на воде электролитов заняла время — первый такой раствор, карбонат пропилена, получили лишь в 1958 году. Теперь встала задача найти катод в пару к литиевому аноду. У него должен был хорошо интеркалировать (интеркаляция — обратная вставка молекулы или группы в промежутке между двумя другими молекулами или группами) литий, то есть заходить внутрь кристаллической решетки, не меняя значительным образом ее размера, и так же легко ее покидать.
Логично было использовать материал, состоящий из атомных слоев, между которыми мог свободно перемещаться литий. В 1973-м Стэнли Виттингем, нобелиат этого года, предложил дисульфид титана — слоистый материал, который мог интеркалировать значительное количество лития и затем высвобождать его. Через три года в лаборатории компании Exxon, где работал Виттингем, продемонстрировали первую литий-ионную батарею. Однако во время эксплуатации на поверхности анодов возникали кристаллы-дендриты из лития, которые могли пробить сепаратор, добраться к катоду и вызвать короткое замыкание. Поэтому первые литиевые батареи были взрывоопасными.
В конце 1970-х Джон Гуденаф, профессор неорганической химии в Оксфорде, использовал в качестве катода вместо дисульфида серы оксид кобальта. Этот материал также имел шаровую структуру, в него легко интеркалировал литий, образуя кобальтат лития, к тому же он обеспечивал высокое напряжение батареи. 97-летний Джон Гуденаф — старейший в истории с нобелевских лауреатов, один из самых титулованных материаловедов мира. В физике есть названное в его честь правило, а в Британии вручают награду его имени за значительный вклад в науку о материалах. Вполне возможно, что именно его возраст побудил Нобелевский комитет выдать премию в этом году. Во время Второй мировой Гуденаф служил в американской армии как военный метеоролог, после чего поступил в Чикагский университет, где получил степень доктора философии по физике. В Чикаго работал с выдающимся физиком Энрико Ферми, а его научным руководителем был Кларенс Зенер, изобретатель полупроводникового диода своего имени, который широко используется в электротехнике.
Последний элемент пазла добавил в 1985 году работник японской химической компании Asahi Kasei Акира Йошино, который использовал коксующийся уголь в качестве анода. В него могли проникать ионы лития, накапливаясь там, и такой анод не создавал риска короткого замыкания. Сегодня вместо коксующегося угля используют графит — ионы лития во время зарядки батареи проникают между слоями углерода, образуя с ним химические связи. Во время разрядки они высвобождаются и возвращаются на катод.
Учитывая все эти открытия, в 1991-м компания Sony выпустила первую коммерческую литий-ионную батарею с напряжением 4 В и рекордной в то время плотностью энергии 80 Вт?ч на килограмм массы.
Это означает, что в течение одного часа килограммовая батарея могла выдавать мощность 80 Вт. Благодаря такой плотности энергии батареи компактные и мощные. Тот же показатель у батарей современных смартфонов в три раза выше. В начале года швейцарская компания Innolith заявила, что создала батарею мощностью 1000 Вт?ч/кг, что позволит электромобилям проезжать 1000 км на одном заряде. Типичное расстояние для электромобилей Tesla — около 500 км.
С литий-ионными батареями связано развитие зеленой энергетики, в частности солнечных панелей. Мощные батареи стоят в электроавтомобилях, распространение которых приведет к значительному уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу. И хотя положительное влияние на экологию литиевых аккумуляторов значительно, добыча самого лития, а также необходимого для катодов кобальта — грязный процесс. Литий добывают из магматических пород пегматитов, а также с рапы — соляных растворов в водоемах. Из скважин в соляных озерах выкачивают воду, которую заливают в подготовленные искусственные бассейны и оставляют высыхать. Чтобы получить 1 т лития, надо выпарить 2 млн т воды. Литиевые месторождения со временем превращаются в высушенную засоленную пустыню, что полностью разрушает местные экосистемы. Такие солончаки — цена безкарбонового электрического будущего.
С литий-ионными батареями связано развитие зеленой энергетики, в частности солнечных панелей.
Мощные батареи стоят в электроавтомобилях, распространение которых приведет к значительному уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу. И хотя положительное влияние на экологию литиевых аккумуляторов значительно, добыча самого лития, а также необходимого для катодов кобальта — грязный процесс. Литий добывают из магматических пород пегматитов, а также с рапы — соляных растворов в водоемах. Из скважин в соляных озерах выкачивают воду, которую заливают в подготовленные искусственные бассейны и оставляют высыхать. Чтобы получить 1 т лития, надо выпарить 2 млн т воды. Литиевые месторождения со временем превращаются в высушенную засоленную пустыню, что полностью разрушает местные экосистемы. Такие солончаки — цена бескарбонового электрического будущего.
В 2018 году в мире было добыто 85 тыс. т лития, преимущественно в Австралии, Чили, Китае и Аргентине. Около половины ушло на создание литий-ионных аккумуляторов.
Недостатки литий-ионных батарей — зависимость от температуры, ограниченное количество циклов перезарядки (около 1000 с учетом условий эксплуатации), длительное время зарядки, постепенное уменьшение емкости, дороговизна лития, кобальта и связанные с их производством экологические проблемы — заставляют ученых и инженеров искать новые решения для хранения энергии.
Одно из перспективных — псевдоконденсаторы. Самый простой конденсатор — две металлические пластины на небольшом расстоянии друг от друга, несущие противоположные заряды. Мощность, выделяемая при их разрядке, больше, чем у батарей, зато плотность энергии, которая запасается, очень низкая. Емкость конденсатора зависит от площади пластин и расстояния между ними. Если заполнить пространство между пластинами электролитом и активированным углем, она возрастет в миллионы раз. Все потому, что у активированного угля очень большая удельная площадь, на которую под действием электрического поля будут налипать ионы электролита. Так создают самый простой суперконденсатор. Но суперконденсаторы все еще не годятся на роль аккумуляторов — слишком быстро высвобождают запасенную энергию. Зато и быстро заряжаются. Эту их особенность используют в электробусах. На заряде от суперконденсаторных батарей он может проехать лишь несколько километров, а затем подзарядиться на остановке, пока пассажиры выходят и заходят.
Псевдоконденсаторы значительно ближе к литий-ионным аккумуляторам и по плотности энергии, и по скорости разрядки. На электроды суперконденсаторов наносят слоистые материалы типа двумерных кристаллов — максенов, в которые могут интеркалировать ионы электролитов, образуя с ними химические связи и запасаясь энергией. При этом для псевдоконденсаторов требуется меньшее количество лития. И они могут быть экологичнее привычных нам аккумуляторов.
Но пока доминированию литий-ионных батарей ничего не угрожает. И в этом также проявился гений их изобретателей: они создали технологию, которая стала незаменимой для человечества почти на 30 лет. И будет оставаться такой еще долго.
Николай Федотов
ТЕЛЕСКОПИсточник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *