John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino zostali tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Badaczy doceniono za opracowanie lekkich i pojemnych akumulatorów litowo-jonowych. Powszechnie nazywanych bateriami litowo-jonowymi.
Wynalezienie akumulatorów litowo-jonowych zrewolucjonizowało nasze życie codzienne. Są one stosowane nie tylko w telefonach komórkowych, ale też w samolotach.
Trzej laureaci podzielą się po równo nagrodą w wysokości 9 mln koron szwedzkich (ok. 830 tys. euro).
Dzięki swoim pracom tegoroczni laureaci stworzyli fundamenty społeczeństwa bezprzewodowego, wolnego od paliw kopalnych.
zaznaczyli członkowie Komitetu Noblowskiego
Wprowadzone na rynek w roku 1991 akumulatory litowo-jonowe zrewolucjonizowały nasze życie i są używane w niezliczonych urządzeniach elektrycznych, od telefonów komórkowych po laptopy i pojazdy elektryczne (na przykład hulajnogi i samochody). Mogą także magazynować znaczne ilości energii elektrycznej np. z elektrowni słonecznych i wiatrowych.
Stanley Whittingham rozpoczął badania nad akumulatorami litowo-jonowymi podczas kryzysu naftowego w latach 70. Badając nadprzewodniki, odkrył niezwykle bogaty w energię materiał – dwusiarczek tytanu, którego użył do stworzenia innowacyjnej katody w akumulatorze litowym. Na poziomie molekularnym dwusiarczek tytanu ma przestrzenie, w których mogą mieścić się jony litu (interkalacja). Lit to pierwiastek wyjątkowy – najlżejszy z metali (niemal dwa razy lżejszy od wody), bardzo reaktywny i łatwo oddający elektrony.
John Goodenough przewidział, że katoda będzie miała jeszcze większy potencjał, jeśli zostanie wykonana przy użyciu tlenku, a nie siarczku metalu. Po systematycznych poszukiwaniach w 1980 r. wykazał, że tlenek kobaltu z jonami litu może wytwarzać potencjał aż czterech woltów. Był to ważny przełom i doprowadził do powstania znacznie mocniejszych akumulatorów.
Anoda baterii została częściowo wykonana z metalicznego litu, który ma silną skłonność do uwalniania elektronów. W rezultacie powstał akumulator o dużym potencjale (nieco ponad dwa wolty). Jednak metaliczny lit jest reaktywny, a akumulator był zbyt wybuchowy i kosztowny, aby mógł znaleźć powszechne zastosowanie.
Bazując na katodzie opracowanej przez Goodenougha, Akira Yoshino stworzył pierwszą komercyjnie opłacalną baterię litowo-jonową w 1985 r. Zamiast reaktywnego litu w anodzie zastosował koks naftowy, materiał węglowy, który podobnie jak tlenek kobaltu katody może interkalować jony litu.
W rezultacie powstał lekki, wytrzymały akumulator, który można było ładować setki razy, zanim pogorszy się jego wydajność. Zaletą akumulatorów litowo-jonowych jest to, że nie są one oparte na reakcjach chemicznych rozkładających elektrody, ale na jonach litu przepływających tam i z powrotem między anodą i katodą.
John B. Goodenough urodził się w roku 1922 r. w Jenie w Niemczech. Doktorat uzsykał w 1952 r. na University of Chicago (USA). Obecnie jest profesorem inżynierii chemicznej i materiałoznawstwa na University of Texas w Austin. W roku 2014 za prace nad bateriami litowo-jonowymi przyznano mu Charles Stark Draper Prize. Laureatem Nobla został w wieku 97 lat, co oznacza, że jest najstarszą osobą, jakiej przyznano kiedykolwiek to wyróżnienie.
Michael Stanley Whittingham urodził się w roku 1941 w Wielkiej Brytanii. Doktorat zrobił w roku 1968 na Oxford University. Obecnie profesorem na Binghamton University, State University of New York w USA.
Akira Yoshino urodził się w roku 1948 w Suita (Japonia). Doktorat zrobił w 2005 r. na Uniwersytecie Osaka. Jest członkiem honorowym Asahi Kasei Corporation w Tokio (czyli firmy, która – obok Sony – wprowadziła akumulatory litowo-jonowe na rynek w roku 1991) i profesorem na Uniwersytecie Meijo w Nagoyi. „Ciekawość była dla mnie główną siłą napędową” – wyznał podczas konferencji prasowej po ogłoszeniu nazwisk tegorocznych noblistów w dziedzinie chemii.
Baterie litowo-jonowe zrewolucjonizowały nasze codzienne życie w ostatnich dekadach
Prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie zauważa, że wynalazek ten zrewolucjonizował życie codzienne w ostatnich dekadach.
Akumulatory litowo-jonowe są szeroko wykorzystywane w licznych urządzeniach, bez których nie wyobrażamy sobie życia – telefonach komórkowych, laptopach, samochodach, a nawet samolotach. To jeden z wynalazków, który zmienił nasz sposób życia. Ogromnie się cieszę, że Nagroda Nobla trafiła w ręce twórców tego typu akumulatorów. Gdyby nie opracowano tak wydajnych i lekkich akumulatorów, nie powstałyby media społecznościowe i nie moglibyśmy być ciągle on-line.
zaznacza naukowiec
Naukowiec przypomina, że przed wynalezieniem akumulatorów litowo-jonowych szeroko stosowane były akumulatory kwasowe (wynalezione w XIX w.), czyli takie, jakie są używane do tej pory w samochodach.
One de facto do dziś niewiele się zmieniły. Ich podstawową wadą jest to, że są duże, ciężkie i trudne w transporcie. Były jednak stosowane jako podstawowe akumulatory do mobilnych, wojskowych urządzeń.
zauważa badacz
Później wynaleziono ogniwa niklowo-kadmowe i wodorkowe, które stosuje się do tej pory. To popularne akumulatorki paluszki, które można kupić w sklepach. Naukowiec zaznacza, że są one jednak mniej pojemne od ogniw litowo-jonowych.
Akumulatory litowo-jonowe mają też inną zaletę – można dość elastycznie formować ich kształt, co jest bardzo pożądane w przypadku ich różnorodnego wykorzystania; są czasem bardzo cienkie lub np. okrągłe.
Teraz naukowcy opracowują kolejne generacje akumulatorów – sodowo-jonowych. Materiały do ich wykonania są tańsze i szerzej dostępne. Poza tym uważane są za bezpieczniejsze od litowo-jonowych.
Naukowcy dużo sobie obiecują po wykorzystaniu innych jonów metalu. Liczą na to, że inne będą bardziej wydajne i nie będą od czasu do czasu zapalać się, co się niestety ciągle zdarza w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
podsumowuje Prof. Zbigniew Łodziana
źródło: naukawpolsce.pap.pl
