Сильный слабый литий: как открытие нобелевских лауреатов заложило основу беспроводной электроники

Если днем ранее премию по физике вручили за исследования, о которых рассказывают даже гуманитариям на первом курсе университета, то премию по химии и вовсе дали за открытие, результатами которого мы все пользуемся последние 30 лет. Речь о литий-ионном аккумуляторе. Эта легкая, перезаряжаемая и мощная батарея теперь применяется везде: от мобильных телефонов до электромобилей. По сути, мы регулярно носим «Нобелевскую премию» в кармане или сумочке. Кроме того, такая батарея способна накапливать солнечную и ветровую энергии. В будущем это позволит отказаться от ископаемого топлива. Практически вся портативная электроника сегодня сидит на «литиевой игле». Однако всеобщего признания этот металл ждал довольно долго. Литий — древний элемент, который появился в первые минуты Большого взрыва. Человечество узнало о нем в 1817 году благодаря шведским химикам Иоганну Арфведсону и Йенсу Берцелиусу, которые очистили его из образца минерала. Свое название литий получил из-за того, что был найден в «камне» («литос» с греч.), а точнее в шахте Стокгольмского архипелага. Несмотря на свое тяжеловесное название, литий — легкий элемент, собственно, поэтому мы без труда везде таскаем с собой мобильник. Литий имеет только один электрон на внешней электронной оболочке, и при удобном случае стремится поскорее с ним расстаться, то есть вступить в реакцию с другим элементом из таблицы Менделеева. Когда это происходит, вместо лития образуется ион лития, заряд меняется с отрицательного на положительный, и вещество становится более стабильным. Последнее особенно важно. Литий в чистом виде крайне опасен, при попадании на влажную кожу и слизистые оболочки он вызывает ожоги. А при контакте с кислородом может воспламениться и взорваться. Уиттингем и чрезвычайная энергоемкость Первые шаги на пути к созданию литий-ионной батареи были сделаны почти полвека назад. Тогда (впрочем, как и сейчас) экологическая повестка сильно вклинивалась в разработки ученых. В 1970-х за окном стоял нефтяной кризис, и энергетические компании всерьез задумывались об ограниченности ресурса, а попутно и о том, что дышать выхлопными газами становится как-то сложно. Нужно было искать альтернативные источники энергии, и желательно такие, которые никогда не иссякнут. Нефтяной гигант, компания Exxon, приняла вызов и наняла лучших исследователей в этой области. Среди них оказался британец Стенли Уиттингем. Ученый и его коллеги начали изучать сверхпроводящие материалы, в том числе соль с постапокалиптическим названием «дисульфид тантала» (TaS2). Химики добавляли к веществу ионы разных элементов, чтобы понять, усиливают те проводимость соли или нет. На удивление взаимодействия между ионами калия и дисульфидом тантала были очень энергоемки, настолько, что можно было рассчитывать на получение пары вольт напряжения. Этот показатель был выше, чем у всех батарей того времени. Литий справился с задачей еще лучше. Как известно, у любой батарейки есть плюс (катод) и минус (анод). На минус ученые поместили литий, а на плюс — дисульфид титана (эта соль оказалась предпочтительнее дисульфида тантала). Литий, которому не жаль своих ионов, быстро передавал их дисульфиду титана, и батарея работала. А когда батарея заряжалась, ионы переходили обратно к литию. Система была отлажена и действовала четко. Однако металлический литий был все еще реактивен. Батарея, которую уже одобрило руководство компании, оказалась слишком взрывоопасной. Эксперименты пришлось прекратить. К тому же произошел очередной обвал цен на нефть — спонсировать опыты стало невыгодно. Гуденаф и четыре вольта Немец Джон Гуденаф, занимавший в это время должность профессора неорганической химии в Оксфорде, знал об инновационной батарее Уиттингема. Однако что-то подсказывало ему: будь на месте дисульфида титана — оксид металла, батарея работала бы мощнее. Ученый распорядился найти оксид металла, который бы вырабатывал высокое напряжение, но не разрушался при передачи ионов. Поиски увенчались большим успехом, да таким, что сам Гуденаф был поражен. Новым героем этой истории стал оксид кобальта. Поместив его в катод, ученый создал аккумулятор, который генерировал почти четыре вольта напряжения, что в два раза превышало показатели Уиттингема. В 1980 году Гуденаф опубликовал сведения об открытии этого нового, энергоемкого катодного материала, который, несмотря на его небольшой вес, привел к созданию мощных аккумуляторов высокой емкости. Это был решающий шаг к беспроводной революции. Йошино и та самая литиевая батарейка Если на Западе интерес к альтернативным источникам энергии временно утих, то в Японии, наоборот, возрос. Компании-производители остро нуждались в легких и перезаряжаемых батареях для питания новой чудо-техники: видеокамер, беспроводных телефонов и компьютеров. В 1985 году Акира Йошино создал первую жизнестойкую литий-ионную батарею. Вместо того, чтобы использовать реактивный литий в аноде, ученый заменил его на углеродный материал — нефтяной кокс. Он, подобно оксиду кобальта, также может притягивать ионы лития. А в качестве катода химик применил оксид лития-кобальта, то есть соединил в одно два вещества, которые раньше находились на противоположных полюсах аккумулятора, тем самым «припрятав» чистый литий от окружающей среды. Когда Йошино заряжал батарейку, ионы лития примыкали к нефтяному коксу. А когда включал, «расходовал» ее, то ионы перетекали обратно в сторону оксида кобальта, поскольку тот обладал более высоким потенциалом. Таким образом, ионы путешествовали туда-сюда, не производя никаких химических реакций. Контакта с окружающей средой не было, а значит не было и шансов на возгорание. Батарейка выдавала все те же четыре вольта и была безопасна. В результате получился легкий износостойкий аккумулятор, который можно заряжать сотни раз, прежде чем он придет в негодность. Литий-ионные батареи произвели революцию в нашей жизни, когда впервые появились на рынке в 1991 году. Они заложили основу беспроводного электроники и снизили зависимость общества от исчерпаемых ресурсов.