Bateria, która podbiła świat

Nagrodę Nobla z chemii otrzymali Niemiec John B. Goodenough, Brytyjczyk M. Stanley Whittingham oraz Japończyk Akira Yoshino za rozwój akumulatorów litowo-jonowych.

Aktualizacja: 10.10.2019 06:25 Publikacja: 09.10.2019 17:56

Sekretarz generalny oraz członkowie Królewskiej Akademii Nauk Szwecji ogłaszają laureatów Nagrody No

Sekretarz generalny oraz członkowie Królewskiej Akademii Nauk Szwecji ogłaszają laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii

Foto: AFP

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.

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.

2 / 3
artykułów
Czytaj dalej. Subskrybuj
Nauka
Człowiek poznał kolejną tajemnicę orangutana. Naczelny potrafi się leczyć
Nauka
Czy mała syrenka musi być biała?
Nauka
Nie tylko niesporczaki mają moc
Nauka
Kto przetrwa wojnę atomową? Mocarstwa budują swoje "Arki Noego"
Materiał Promocyjny
Dlaczego warto mieć AI w telewizorze
Nauka
Czy wojna nuklearna zniszczy cała cywilizację?