Baterie litowe towarzyszą nam obecnie na co dzień – w smartfonach, laptopach, tabletach, dronach, a nawet w pojazdach elektrycznych. Nie są one rozwiązaniem idealnym – te potrafią rozszczelniać się, wybuchać i palić, a poza tym są podatne na starzenie się, ale póki co są one najlepszymi powszechnie dostępnymi na rynku akumulatorami, i to od dłuższego czasu. Ogromnego znaczenia baterii litowo-jonowych świadomi są także członkowie Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, którzy właśnie przyznali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii trzech ich twórcom.
Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, wynoszącą 9 milionów koron szwedzkich (ponad 3,5 miliona złotych), współdzielić będą John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham oraz Akira Yoshino. To właśnie ci trzej naukowcy są ojcami baterii litowo-jonowych.
The 2019 #NobelPrize in Chemistry has been awarded to John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino “for the development of lithium-ion batteries.” pic.twitter.com/LUKTeFhUbg
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 9, 2019
Dlaczego tak właściwie ktokolwiek postanowił pracować nad akumulatorami zawierającymi lit? Stało się tak, gdyż lit jest najlżejszym z metali, a na dodatek ma największy wśród nich potencjał elektrochemiczny – potrafi zapewniać najwięcej energii w stosunku do wagi. Niemniej, z jego użyciem w bateriach wiązały się pewne problemy. Gdy lit stanowił anodę, cykliczne ładowanie akumulatora powodowało jej rozrost i w rezultacie powstawanie zwarć elektrycznych. Zwarcia prowadziły do szybkiego wzrostu temperatury, nawet do temperatury topnienia litu.
Pierwszy ważny krok w stronę stworzenia bezpieczniejszych akumulatorów litowo-jonowych poczynił M. Stanley Whittingham. Pracując nad źródłami energii innymi niż paliwa kopalne, Whittingham odkrył bogaty w energię materiał, który badacz postanowił wykorzystać do stworzenia katody (elektrody ujemnej) swojej baterii. Katoda ta była wykonana z disiarczku tytanu i wspólnie z anodą (elektrodą dodatnią) w formie metalicznego litu tworzyła baterię o mocy wynoszącej 2 wolty. Bateria ta była za sprawą metalicznego litu zbyt niestabilna aby móc używać jej na co dzień, jednakże posiadała ona pewną bardzo ważną cechę. Otóż, Whittingham zauważył, iż katoda wykonana z disiarczku tytanu posiadała molekularne przestrzenie, w których mogły ukrywać się jony litu.
John B. Goodenough, pracując na Uniwersytecie Teksańskim w Austin, stworzył podobną baterię, korzystając z tlenku kobaltu jako katody (która również posiadała wspomniane molekularne przestrzenie z jonami litu). Jego bateria wytwarzała 4 wolty mocy i stanowiła poważny przełom, który miał doprowadzić do powstania jeszcze lepszych akumulatorów, co też się stało.
W oparciu o katodę Goodenougha, Akira Yoshino opracował w 1985 roku pierwszy prawdziwy akumulator litowo-jonowy, który nadawał się do zastosowań komercyjnych. Yoshino zamienił metaliczny lit anody na węglowy materiał zwany koksem naftowym, który jedynie nasycony był jonami litu. To sprawiło, że bateria stała się znacznie bezpieczniejsza.
Akumulator litowo-jonowy Akiry Yoshino. | Źródło: Johan Jarnestad/ Królewska Szwedzka Akademia Nauk
Do dzisiaj powstało wiele udoskonalonych wersji baterii litowo-jonowych, ale kto wie, czy gdyby nie trzy wymienione osoby, w ogóle mielibyśmy dzisiaj do czynienia z taką technologią. Tymczasem, nie da się ukrywać, że ta zrewolucjonizowała nasze życia, wypierając z rynku akumulatory niklowo-kadmowe oferujące o wiele mniejsze możliwości.
Źródło: Królewska Szwedzka Akademia Nauk