fbTrack
REKLAMA
REKLAMA

Nagrody Nobla

Bateria, która podbiła świat

Sekretarz generalny oraz członkowie Królewskiej Akademii Nauk Szwecji ogłaszają laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii
AFP
Nagrodę Nobla z chemii otrzymali Niemiec John B. Goodenough, Brytyjczyk M. Stanley Whittingham oraz Japończyk Akira Yoshino za rozwój akumulatorów litowo-jonowych.

Komitet Noblowski skomentował nagrodę, pisząc: „Baterie litowo-jonowe zrewolucjonizowały nasze życie i są używane we wszystkim, od telefonów komórkowych po laptopy i pojazdy elektryczne. Dzięki swojej pracy tegoroczni laureaci Nagrody Chemii położyli podwaliny pod bezprzewodowe, wolne od paliw kopalnych społeczeństwo".

M. Stanley Whittingham jest kluczową postacią w historii rozwoju baterii litowych. Stworzył w latach 70. pierwszy działający akumulator litowy, który został oparty na katodzie z siarczku tytanu(IV) (TiS2) i anodzie litowo-aluminiowej. Ten akumulator nie był praktycznie użyteczny z powodu decyzji o wyborze siarczku tytanu. Był on bardzo drogi i trzeba go było syntetyzować w warunkach całkowicie odizolowanych od powietrza i wilgoci, ponieważ w innym przypadku zaczyna śmierdzieć (dosłownie), wydzielając siarkowodór w wyniku reakcji z wodą. Drugim problematycznym elementem baterii był czysty lit, który uruchomił wiele alarmów przeciwpożarowych. W normalnych warunkach trzeba go przechowywać w oleju, aby uniknąć kontaktu z powietrzem i zapłonu. Jednak jego wysoka zdolność do wchodzenia w reakcję chemiczną jest również jego siłą. Pozwoliła na uwolnienie elektronu, który spowodował, że bateria zaczęła działać.

W 1980 roku John Goodenough podwoił potencjał tych baterii, tworząc odpowiednie warunki dla znacznie bardziej wydajnego i użytecznego urządzenia. Stworzył tańszą, trwalszą baterię i bezpieczniejszą baterię, która pozwalała też uzyskać wyższe napięcie. John B. Goodenough był wymieniany jako kandydat do Nobla od wielu lat. Królewska Szwedzka Akademia Nauk poinformowała oficjalnie, że w wieku 97 lat jest najstarszą osobą wyróżnioną nagrodą.

Wynalazek, który zmienił świat

W 1985 roku Akirze Yoshino udało się wyeliminować czysty lit z baterii i oprzeć ją całkowicie na jonach litu. Problem reaktywności i palności został usunięty. To sprawiło, że bateria sprawdziła się w praktyce. Dzięki niej możemy korzystać z naszych elektronicznych urządzeń wszędzie. Baterie litowo-jonowe przyniosły ludzkości ogromne praktyczne korzyści, ponieważ umożliwiły rozwój laptopów, telefonów komórkowych, pojazdów elektrycznych oraz magazynowanie energii wytwarzanej przez energię słoneczną i wiatrową.

Wybór litu, miękkiego srebrnobiałego metalu z grupy litowców (metale alkaliczne), do stworzenia baterii Whittinghama był kluczowy. W warunkach standardowych jest on najlżejszym metalem i pierwiastkiem o najniższej gęstości w fazie stałej. W baterii elektrony powinny przepływać z elektrody ujemnej – anody – do elektrody dodatniej – katody. Katoda powinna być wykonana z materiału, który łatwo uwalnia elektrony, a lit robi to z dużą łatwością. Niestety, podczas wielokrotnego ładowania i rozładowywania z katody wyrastały długie wąsy metalu, które powodowały zwarcia baterii i jej wybuch. Straż pożarna musiała na tym etapie ugasić wiele pożarów.

John Goodenough znał osiągnięcia Whittinghama. Jego specjalistyczna wiedza pozwalała mu uważać, że elektroda wykonana z tlenków zamiast siarczków będzie miała wyższy potencjał. Systematyczne poszukiwania pozwoliły na użycie związku o nazwie tlenek kobaltu(III) litu (LiCoO2). Ta katoda dawała prawie dwa razy wyższe napięcie.

W tym czasie Japonia zaczyna cierpieć na głód taniej i wydajnej baterii, która mogłaby zasilić elektroniczne gadżety, takie jak kamery wideo, telefony i komputery. Akira Yoshino, wyczuwając koniunkturę rynku, postanawia opracować pierwszą komercyjnie opłacalną baterię litowo-jonową.

Goodenough miał dobrą katodę, ale nie miał anody. Eksperymentował w tym czasie z różnymi rodzajami węgla, ale albo nie sprawdzały się, albo ulegały rozkładowi pod wpływem elektrolitu (grafit). Yoshino postanowił użyć koksu naftowego, końcowego, bogatego w węgiel materiału pochodzącego z rafinacji ropy naftowej.

Długa żywotność akumulatorów

Akumulator opracowany przez Akirę Yoshino jest stabilny, lekki, ma dużą pojemność i wytwarza napięcie o wartości 4 woltów. Największą zaletą akumulatora litowo-jonowego jest to, że jony są interkalowane, czyli wprowadzane do struktury krystalicznej, ale wiązanie ich jest słabe i odwracalne, w elektrodach. Większość innych akumulatorów opiera się na reakcjach chemicznych, w których elektrody powoli się zużywają. Kiedy akumulator litowo-jonowy jest ładowany lub używany, jony przepływają między elektrodami, nie reagując z otoczeniem. Oznacza to, że akumulator ma długą żywotność i może być ładowany setki razy, zanim jego wydajność ulegnie pogorszeniu. Ten akumulator otworzył zupełnie nowe możliwości dla elektroniki i jej miniaturyzacji. Wystarczy przypomnieć sobie telefony komórkowe z lat 80., gdzie bateria była wielkości małej walizki, a pozwalała na zaledwie kilkanaście minut rozmowy i spojrzeć na skok technologiczny uzyskany dzięki baterii litowo-jonowej.

Nagroda Nobla przyznawana jest corocznie w pięciu kategoriach. Są to fizyka, fizjologia i medycyna, chemia, literatura oraz działania na rzecz światowego pokoju. Od 1969 roku Szwedzki Bank Narodowy przyznaje ją jeszcze w jednej kategorii, którą jest ekonomia. Nagrodę ustanowił w swoim testamencie szwedzki przemysłowiec i wynalazca Alfred Nobel, pisząc „Co do mojego pozostałego nadającego się do upłynnienia majątku należy postąpić, jak następuje: kapitał, upłynniony przez egzekutora testamentu w pewnych papierach wartościowych, ma stanowić fundusz, z którego odsetki będą corocznie rozdzielone w formie nagród osobom, które w ubiegłym roku uczyniły najwięcej dla dobra ludzkości".

Ceremonia rozdania nagród odbywa się 10 grudnia, w rocznicę śmierci fundatora. Laureat otrzymuje medal, dyplom i nagrodę pieniężną, której wysokość ustalana jest przez Fundację Nobla. W tym roku jest to 9 mln koron szwedzkich, czyli około 3,6 mln złotych.

Źródło: Rzeczpospolita
REKLAMA
REKLAMA
REKLAMA
REKLAMA
NAJNOWSZE Z RP.PL
REKLAMA
REKLAMA