Литий-ионные батареи. За что вручили Нобелевку по химии

Фото: Casey Chin, wired.com
Литий-ионные батареи. За что вручили Нобелевку по химии
Фото: Машины и МеханизмыМашины и Механизмы
Выход из кризиса: кто придумал LIB
Представьте, что основные экспортеры нефти договариваются больше не поставлять сырье на мировой рынок, уменьшают добычу и закрывают все каналы транспортировки. У государств или вовсе нет своих запасов, или их хватит только на пару недель. Цена на нефть стремительно растет, планета в одно мгновение замирает в анабиозе. В современном мире такая ситуация все еще остается гипотетически возможной, но связана она может быть только с попыткой стабилизировать переизбыток нефти на рынке. Так, например, страны ОПЕК+ и Россия провели конец 2019 и начало 2020 года за переговорами о сокращении добычи нефти. Неуступчивость некоторых стран-экспортеров и пандемия коронавируса, заблокировавшая сообщение между странами, привели к тому, что танкеры с нефтью стояли в портах, а нефть американских марок торговалась с минусовой ценой за баррель. То есть продавцы за нее доплачивали, как бы дико это ни звучало во все еще нефтецентричном мире.
Каких-то полвека назад, в 1973 году, ситуация была ровно противоположной. Тогда произошел первый в истории энергетический кризис – не из-за финансов или проблем с запасами, а из-за политики. Арабские страны, основные экспортеры нефти, перестали снабжать сырьем американцев и европейцев в знак протеста против помощи Израилю. Американский президент всерьез просил свой народ меньше пользоваться автомобилями, авиакомпании стремительно сокращали количество рейсов, по всему миру отменяли гонки и закрывали заправки.
Английский химик Стэнли Уиттингем (Stanley Whittingham) работал в это время на в США, и, видимо, ему тоже приходилось часто ходить пешком на работу. Потому что именно нефтяное эмбарго 1973 года заставило ученого обратиться к идее новой батареи, которая могла бы перезаряжаться за короткое время и работать с ветряной и солнечной энергиями. Аккумуляторы к тому времени существовали уже десятилетия, но были огромными, слабыми и неустойчивыми. Уиттингем по заказу Exxon первым выпустил на арену литий: для своего изобретения он взял дисульфид титана и металлический литий в качестве электродов. Эта комбинация оказалась не слишком устойчивой, и ее революционность мало кто понимал. После коротких замыканий и возгорания батарей Exxon прекратил эксперименты. Но Уиттингем работу над проектом продолжил.
Его коллега Джон Гуденаф (John Goodenough), заведующий кафедрой неорганической химии Оксфордского университета, предложил вместо дисульфида титана использовать оксид лития-кобальта. В 1979 году Гуденаф вместе со своими сотрудниками разработал батарею с катодом из ионов лития между слоями оксида кобальта. И если батарея Уиттингема обладала энергетическим потенциалом в 2,5 вольта, то у батареи Гуденафа этот показатель уже был вдвое больше – 4.
Через пять лет после этого Акира Ёсино (Akira Yoshino) из Университета Мейхо в Нагое, Япония, снова попробовал заменить элементы. Вместо химически активного металлического лития он использовал нефтяной кокс, богатый углеродом побочный продукт переработки нефти. Зарядка кокса электронами притягивала ионы лития в анод. Открытие Ёсино стало революционным: новая батарея оказалась не только безопаснее, но и куда стабильнее предшественниц. Так появился первый прототип литий-ионного аккумулятора. Ёсино подал патент на батарею в 1985 году, а первый литий-ионный аккумулятор в 1991 году выпустила Sony Corporation.
В 2019 году при объявлении лауреатов Нобелевской премии по химии отметил, что награда в этом году достается «перезаряжаемому миру». Стенли Уиттингем, Джон Гуденаф, который стал заодно старейшим лауреатом премии, и Акира Ёсино втроем получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «за разработку литий-ионных аккумуляторов». «Эта легкая, перезаряжаемая и мощная батарея теперь используется во всем – от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Она может накапливать значительное количество энергии от солнечной и ветровой энергии, что делает возможным общество без ископаемого топлива», – написал комитет в своем пресс-релизе, и в этом кратком комментарии перечислены все основные достоинства LIB (lithium-ion battery). Уиттингем говорил: «Литиевые аккумуляторы повлияли на жизнь всех людей в мире». И это не преувеличение. У каждого из нас в ближайшем радиусе наверняка найдется не один девайс с литий-ионным аккумулятором внутри. И когда мы ставим его на подзарядку, то даже не задумываемся о том, что за этим изобретением – автономная работа трех исследовательских групп с разных концов планеты, начавшаяся только потому, что мир однажды почувствовал свою зависимость от нефти и захотел от нее избавиться.
Джон Гуденаф. Фото: Marc Brown, news.utexas.edu
От смартфонов до электростанций
Главные герои литий-ионных аккумуляторов, как можно догадаться из названия, – ионы лития. Литий имеет один из самых больших электрохимических потенциалов среди легких элементов периодической таблицы Менделеева. Литий объединяется с переходным металлом – например, кобальтом, никелем или марганцем – и образует катод. Во время подзарядки ион лития с катода мигрирует на анод и становится металлическим литием. И потом, поскольку литий обладает большой электрохимической движущей силой, он мигрирует обратно к катоду, чтобы снова стать ионом лития, а электрон отдает иону кобальта. Движение электронов в этой цепи и дает нам ток, который мы можем использовать. Стэнли Уиттингем сравнивает работу литий-ионных батарей с намазыванием джема на сандвич. Джем как бы проникает внутрь пористой булочки. С химической точки зрения это значит, что у нас есть кристаллическая структура, из которой мы можем вынимать ионы лития или добавлять их, а структура останется прежней. Такие комбинации создают самые высокие напряжения в самых компактных и легких объемах – именно поэтому литий-ионные аккумуляторы так востребованы. Они маленькие, перезаряжаемые и мощные.
Стэнли Уиттингем Фото: A. Mahmoud nobelprize.org
С литием в аккумуляторах не было проблем еще со времен Стэнли Уиттингема. Сложность состояла в том, чтобы подобрать к нему правильные электроды. Акира Ёсино использовал нефтяной кокс, но сейчас его место чаще занимает графит. Но литий-ионные аккумуляторы все еще работают не на пределе своих возможностей. По всему миру ученые пытаются улучшить характеристики LIB. Например, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего пытаются увеличить плотность энергии литий-ионной батареи, добавляя кремний к аноду. Они также разрабатывают батарею, которая может работать при низких температурах, до –76 °F – по сравнению с пределом тока –4 °F для литий-ионных аккумуляторов. Вообще, температура – слабое место для литий-ионных конструкций. Ваши смартфоны наверняка тоже разряжаются на холоде, ведь так?
Акира Ёсино Фото: Tomohiro Ohsumi bloomberg.com
Литий-ионные аккумуляторы завоевали рынок портативной техники. 98 % только японских смартфонов выпускаются на литий-ионных аккумуляторах. Компания Tesla ставит их в электрокары. Речь уже не о маленьком смартфоне, а о целом «парке» аккумуляторов, соединенных между собой. Двигатель электрокара Tesla Model S, например, состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый. Tesla даже открыла в пустыне Невада свой завод по выпуску литий-ионных аккумуляторов. На этом, кстати, литий-ионные амбиции самой известной компании по выпуску электрокаров не заканчиваются. В 2017 году Tesla построила в Австралии самое большое в мире хранилище электроэнергии, работающее на литий-ионных аккумуляторах. Грубо говоря, это огромная литий-ионная батарея в Джеймстауне, Южная Австралия. Проект начался со спора в Твиттере, когда спросили, может ли он решить проблему с электричеством в Южной Австралии. У региона большие потребности – там жарко, и постоянно работают кондиционеры. Австралия при этом отказалась от ископаемого топлива и перешла на возобновляемые источники энергии – солнечный свет и ветер. Накануне спора в 2017 году целый штат остался без света из-за этого перехода. Илон Маск пообещал, что построит батарею за 100 дней или она достанется правительству бесплатно. Комплекс был согласован и возведен за три месяца. В 2020 году емкость батареи планируют увеличить на 50 %.
и Facebook тоже используют литий-ионные аккумуляторы в своих дата-центрах.
Илон Маск пообещал, что построит Австралии хранилище литий-ионных аккумуляторов за 100 дней Фото: Mark Brake, nytimes.com
Значит, идеальные?
Нет. В 2016 году авиакомпании отказывались принимать на борт пассажиров с Samsung Galaxy Note 7. Дело в том, что эта модель иногда взрывалась в самое неподходящее время. Жалобы поступали со всего мира, и компании Samsung пришлось полностью отозвать партию. У также было несколько инцидентов с литий-ионными аккумуляторами в конструкции их самолетов 787. Причина неисправности – в сборке аккумуляторов. Но это скорее исключение, чем правило. Не каждый LIB потенциально взрывоопасен. Хотя производители, конечно, советуют не оставлять электросамокаты, смартфоны и прочую технику на зарядке без внимания.
Считается, что электрокары гораздо экологичнее своих коллег на нефти как раз благодаря литий-ионным аккумуляторам. Сами по себе Li-ion ничего не загрязняют, это правда. Но в составе электрода у них – никель, кобальт и графит. С их добычей у мира небольшие проблемы. С 2016 по 2018 год из-за масштабного производства литий-ионных аккумуляторов цена на кобальт взлетела с 22 до 81 доллара за килограмм, на никель – с 9 до 14 долларов. Никель на рынок поставляют всего несколько стран – Индонезия, Филиппины, Канада, Россия. 56 % всего кобальта, добытого в мире, – из Демократической Республики Конго. Условия добычи и утилизации в некоторых из этих стран вызывают вопросы у мирового сообщества. The Washington Post, например, опубликовал репортаж из китайской деревни рядом с фабрикой по производству графита, блестящего вещества, знакомого всем по обычным карандашам в школе. Серая пыль оседает на всем в окрестностях фабрики – на посевах, еде, одежде. В регионе уже не растут деревья, выбросы сказываются на здоровье жителей. Большая часть графита продается Samsung SDI, LG Chem и Panasonic – трем крупнейшим производителям литий-ионных аккумуляторов. Они утверждают, что проверяют производство, но его сложно отследить, даже если вся линия поставки известна и законна: производитель телефонов должен знать, в каких условиях делают аккумулятор, производитель аккумуляторов – где производитель анодов к нему получает свой графит. В Конго огромный процент кобальта добывается незаконно – без соблюдения условий труда и особенностей обработки. И более того: по расчетам, кобальт может закончиться в ближайшее десятилетие – так велик спрос. А еще в 2016 году The Economist называл литий самым востребованным товаром в мире. Правда, на его счет беспокоиться не стоит – лития, вероятно, хватит еще лет на сто. Даже если процент электрокаров среди автомобилей существенно возрастет.
Ученые уверены, что литий-ионные аккумуляторы – не предел наших возможностей по сохранению и использованию энергии. Некоторые делают ставку на литий-металлические аккумуляторы. Первый из них был разработан Стэнли Уиттингемом как прототип литий-ионных батарей. Но история самих литий-ионных аккумуляторов точно не близится к завершению – они еще на заре своей «карьеры».
18+