Нобелевская премия по химии вручена за разработку литий-ионных батарей

Один лауреат Нобелевской премии открыл принципиальную возможность того, что батарея может набирать и отдавать заряд, а два других — из чего такую батарею можно дешево и безопасно сделать. Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Ёсино не работали вместе, но их общий труд обеспечил энергией миллиарды людей по всему миру.

При поиске книг наиболее заслуженного из нобелевских лауреатов по химии 2019 года, Джона Гуденафа (шутка ли, самый возрастной из всех нобелиатов во всех дисциплинах — впечатляющие 97 лет), первым в выдаче можно увидеть том под названием «Witness to Grace», что на русский приблизительно переводится как «Свидетель благодата». Как можно догадаться, речь там не про материаловедение, не про строение вещества и не про физику твердого тела, а про духовные изыскания.

Сложись жизнь иначе и пойди Гуденаф по стопам отца, успешного историка религии и теолога, мы были бы лишены не только литий-ионных батарей в их современном виде, но и устройств оперативной памяти для компьютеров, разработкой которых тоже занимался Гуденаф. Однако не вспомнить про благодать и провидение в рассказе о литий-ионных батареях довольно непросто: эта история как будто целиком состоит из неудач, обернувшихся победами.

Гуденаф был самым известным ученым из троицы лауреатов до вручения Нобелевской премии: многочисленные инсайдерские опросы пророчили ему ее последние лет десять уж точно. Однако самым настоящим первооткрывателем этой технологии стоит считать второго лауреата, Стэнли Уиттингема. Вот что говорит про его вклад ведущий российский специалист в этой области, заведующий кафедрой электрохимии Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, профессор, член-корреспондент РАН Евгений Антипов (помимо прочего имеющий опыт научного сотрудничества со всеми членами троицы): «Уиттингем в 1970-е годы показал возможность обратимой интеркаляции лития, то есть внедрения-извлечения ионов лития в слоистых сульфидных материалах переходных металлов. Эти сульфидные материалы, в отличие от кислотных аккумуляторов, где вещества преобразуются и растворяются, работают без изменения кристаллической решетки. В них изменяется концентрация ионов лития и, соответственно, количество электронов в зоне проводимости, а также степень окисления переходного металла».

Иными словами, Стэнли Уиттингем создал многоразовую батарею, которая не обладала внушительными размерами, а также не содержала невероятно едкий электролит и ядовитые тяжелые металлы — в отличие от тех аккумуляторов, что используются в автомобилях и по сей день. Его исследования спонсировал нефтяной гигант Exxon, и дело уже двигалось к запуску опытного производства, вот только выяснилось, что предложенный Уиттингемом как материал электрода сульфид титана мало того что был дорог, так еще и начинал выделять сероводород при малейшем контакте с воздухом, распространяя ядовитые пары и чудовищный запах.

Антипов подчеркивает роль Стэнли как первопроходца, но и не склонен перехваливать его прототип: «Уиттингем показал принципиальную возможность, но характеристики были невысокими, сопоставимыми со свинец-кислотными аккумуляторами. Индустрии не было смысла пойти по новому пути».

Проблему с материалом электродов (со вторым электродом в прототипах тоже все было сомнительно: изначально это был металлический литий, недешевый и очень горючий) решили как раз Гуденаф и третий лауреат, Акира Ёсино, который, как и Уиттингем, выполнил существенную часть своих прорывных работ в коммерческом секторе — в его случае это была работа на гиганта химической промышленности Asahi Kasei.

Вот что говорит об открытии новых электродов Антипов: «Джон Гуденаф в 1980-е, работая с командой в Кембридже, показал, что для извлечения-внедрения лития можно использовать сложный оксид кобальта и лития LiCoO2. Его фундаментальная работа так и называется: "LiCoO2 как катодный материал для литий-ионных аккумуляторов с высокой удельной энергией" (это значит, что с использованием этого материала можно накапливать гораздо большую энергию на единицу массы). Эта работа задала вектор дальнейшего развития. Но без пары, без анодного материала, который обеспечивал бы устойчивую работу катодного электрода, рабочий аккумулятор не появился бы. И вот японский коллега предложил углеродный материал, в который можно так же обратимо внедрять и извлекать литий».

Как водится с Нобелевскими премиями последних лет, это, разумеется, упрощенная версия истории разработки литий-ионных батарей. Ограничение в три человека на одно открытие, например, лишило Нобелевской премии марокканца Рашида Язами, автора пионерских исследований графита, интеркалированного литием,— то есть именно такого материала, который в измененном виде до сих пор чаще всего используется в литий-ионных батареях. Разумеется, бесценны заслуги и многих инженеров, внедривших производство литий-ионных батарей в начале 1990-х, несмотря на вполне реальные опасности перегрева и воспламенения новых аккумуляторов.

Но правила комитета есть правила — и за литий-ионные батареи, основу буквально всей современной микроэлектроники, наградили ученых по очень понятному принципу. Так это комментирует Антипов: «Первый [Уиттингем] показал принципиальную возможность, второй [Гуденаф] показал пригодность соединения LiCoO2 для этих целей, а третий [Ёсино] нашел "супружескую пару", которая как раз и использовалась потом в коммерческом продукте компании Sony с 1991 года. А сейчас это миллиарды устройств».

Учитывая, что принципиальные разработки, связанные с этой технологией, закончились в конце 1980-х, можно решить, что новизне тут не место и премию вручили по сумме заслуг. Не тут-то было: потенциал литий-ионных батарей — как экономический, так и идеологический — совсем не исчерпан, о чем не забывает сказать Антипов: «Сейчас стремительно развивается рынок электромобилей, идет развитие возобновляемой энергетики, создаются новые солнечные элементы, ветряные генераторы. Они выдают много энергии, которую надо где-то быстро сохранить. И вот ионные аккумуляторы позволяют это сделать. Они работают в широком диапазоне температур, практически не теряют заряд, при этом могут быть компактными. Это меняет современную энергетику, транспорт — что там, уже даже рыбацкие лодки работают на литий-ионных аккумуляторах».

Иван Сорокин