Нобеловата награда за химия: голямата история на малката батерия
Телефонът ви може да показва карта, да заснема видео и да ви свързва с хора на другия край на света. Но всичко това трябва да се побере в устройство, което носите с една ръка. Една от големите пречки пред тази свобода е била съвсем материална: достатъчно лека и многократно зареждаща се батерия.
През 2019 г. Джон Гудинаф, Стенли Уитингам и Акира Йошино получават Нобеловата награда за химия за разработването на литиево-йонните батерии. Историята им е поредица от свързани пробиви, при които следващият учен решава проблем, останал след предишния.
Батерия, започнала в петролна компания
През 70-те години Уитингам работи в Exxon. Да, една от стъпките към днешната електрическа мобилност идва от изследвания, финансирани от петролна компания. Той използва материал, в чиято структура могат да се вмъкват литиеви йони, без тя да бъде разрушена при всеки цикъл. Получава се презареждаща се батерия с обещаващи характеристики.
Но металният литий в единия електрод създава сериозен проблем. При зареждане могат да израснат тънки метални образувания, които да свържат двата електрода и да причинят късо съединение. Самата възможност да се съхрани много енергия още не прави устройството подходящо за всекидневна употреба.
Три приноса, които се допълват
Гудинаф търси по-добър материал за положителния електрод. През 1980 г. работата му върху литиево-кобалтов оксид показва как напрежението може да бъде значително увеличено. След това Йошино съчетава този материал с въглероден отрицателен електрод, който приема литиеви йони. Така в разработката му отпада нуждата от електрод от метален литий.
През 1985 г. Йошино създава практически приложима конструкция. За да провери безопасността ѝ, провежда изпитания в специализирана защитена среда, включително с тежест, пускана върху батериите. Сравнението с конструкция с метален литий показва колко важно е решението с въглерода. Търговските литиево-йонни батерии се появяват през 1991 г., години преди Нобеловата награда.
Два различни пътя за електроните и йоните
В работещата батерия литиевите йони се движат вътре между двата електрода през електролита. Електроните минават по външната електрическа верига и захранват устройството. Можем да си представим два свързани маршрута: вътрешният пренос на йони позволява външният поток от електрони да продължи.
При зареждане външният източник подава енергия и обръща тези процеси. Батерията съхранява енергия чрез обратими химични промени. Тя не произвежда енергия от нищото, а материалите и условията на работа определят колко успешно може да се повтаря цикълът.
Химията като изкуство да подбереш правилния материал
Наградата за химия, присъждана от Кралската шведска академия на науките, отличава открития за веществата, техните превръщания и методите, с които ги изследваме и създаваме. Литиево-йонната батерия прави тази връзка видима: подходящата структура на няколко материала променя начина, по който общуваме, работим и съхраняваме електричество.
Технологията продължава да има ограничения, включително стареене, изисквания за безопасност и използване на ресурси. Именно затова историята е толкова показателна за науката: голямото постижение отваря нови възможности и нови задачи.
Източници и още за историята
- Разказът на Кралската шведска академия за тримата лауреати
- Научна обосновка на наградата за химия за 2019 г.
- Официално представяне на разработката на Акира Йошино от AIST
Продължете с курса „Нобеловите награди“
В курса „Нобеловите награди“ в eee.bg можете да проследите още такива връзки между лабораторията и всекидневието. Отделните видеа на български представят годишните награди с обяснения, схеми, анимации и конкретни примери. Химията е подредена по десетилетия и години, а до нея ви очакват физика, физиология или медицина, литература, мир и икономически науки. Изберете история, която ви е любопитна, и започнете от нея.