Οι πρωτοπόροι της μπαταρίας ιόντων λιθίου πήραν το βραβείο Νόμπελ 2019 στη Χημεία
Link to the original source of this coverage::
Article Text
Το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2019 απονεμήθηκε στον
John B. Goodenough (Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Austin),
στον M. Stanley Whittingham (Πανεπιστήμιο Binghamton)
και στον Akira Yoshino της Asahi Kasei Corporation (Πανεπιστήμιο Meijo), για την ανάπτυξη μπαταριών ιόντων λιθίου.
Οι τρεις θα μοιραστούν εξίσου το βραβείο περίπου 1 εκατομμυρίου δολαρίων.
«Η μπαταρία ιόντων λιθίου διαμορφώνει τον σύγχρονο κόσμο με τρόπους που δεν θα μπορούσαν να προβλεφθούν», λέει ο Gavin Harper, ερευνητής στο Ινστιτούτο Faraday και ειδικός στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο Πανεπιστήμιο του Birmingham. «Είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει τη λειτουργία συσκευών που χρησιμοποιούμε στον σύγχρονο κόσμο, από τα έξυπνα ρολόγια μέχρι τα τηλέφωνα».
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παρέχουν μια ελαφριά, επαναφορτιζόμενη πηγή ενέργειας για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και ηλεκτρικά οχήματα. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες, οι οποίες παίρνουν την ισχύ τους από χημικές αντιδράσεις που διασπούν το ηλεκτρόδιο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παράγουν ενέργεια μέσω της αναστρέψιμης ροής ιόντων λιθίου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Αλλά για να γίνει αυτή η τεχνολογία εφικτή, οι χημικοί έπρεπε να «δαμάσουν» το λίθιο, ένα αλκαλικό μέταλλο που είναι επιρρεπές σε έκρηξη.
Η ιστορία της ανακάλυψης των μπαταριών ιόντων λιθίου χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970, κατά τη διάρκεια της πετρελαϊκής κρίσης. Τότε, ο Whittingham, ο οποίος δούλευε για την εταιρεία πετρελαίου και φυσικού αερίου Exxon, ερευνούσε υλικά πλούσια σε ενέργεια όταν κατάλαβε πώς να κατασκευάσει μια μπαταρία καθόδου από το δισουλφίδιο του τιτανίου (TiS2). Το TiS2 είναι ένα στρωματοποιημένο υλικό και τα ιόντα λιθίου ολισθαίνουν μεταξύ των στρωμάτων του - μια διαδικασία γνωστή ως παρεμβολή. Ο Whittingham συνδύασε αυτό με μια άνοδο από μεταλλικό λίθιο και πρόσθεσε έναν οργανικό υγρό ηλεκτρολύτη που θα μπορούσε να μεταφέρει ιόντα λιθίου μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Αυτή ήταν η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου.
Η μπαταρία αυτή παρουσίαζε πολλές αδυναμίες. Το μεταλλικό λίθιο θα μπορούσε να σχηματίσει ψιλοκομμένες βελόνες που θα προκαλούσαν βραχυκύκλωμα στη μπαταρία, την υπερθέρμανσή της και στη συνέχεια ενδεχομένως την έκρηξη. Ο Goodenough, ο οποίος δούλευε στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ανακάλυψε ότι τα ιόντα λιθίου θα μπορούσαν επίσης να διεισδύσουν μέσω του οξειδίου του κοβαλτίου. Την ίδια περίπου εποχή, ο Yoshino, ο οποίος δούλευε στο Asahi Kasei Corp., έδειξε ότι τα ιόντα λιθίου θα μπορούσαν επίσης να παρεμβληθούν στον οπτάνθρακα πετρελαίου. Χρησιμοποιώντας οξείδιο κοβαλτίου ως κάθοδο και οπτάνθρακα ως άνοδο, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια μπαταρία που θα μπορούσε να τρέξει σε περίπου 4 V, πολύ υψηλότερη από την μπαταρία των 2,4 V που είχε αναπτυχθεί αρχικά από τον Whittingham. Επίσης, ήταν ασφαλέστερη επειδή δεν περιείχε μεταλλικό λίθιο. Η μπαταρία μπορούσε να επαναφορτιστεί εκατοντάδες φορές χωρίς μείωση της απόδοσής της και κυκλοφόρησε στο εμπόριο το 1991. Η αναγνώριση της εργασίας αυτών των χημικών με το βραβείο Νόμπελ έχει προβλεφθεί από χημικούς εδώ και πολλά χρόνια. Στα 97 του, ο Goodenough είναι ο παλαιότερος βραβευμένος με Νόμπελ. «Υπήρχαν πολλοί επιστήμονες φέτος που όντως «ριζώθηκαν» με τον Goodenough», λέει ο Harper.
Ο Olof Ramström, μέλος της Επιτροπής Νομπέλ για τη Χημεία, κατά τη διάρκεια συνέντευξης τύπου σήμερα το πρωί, καθώς εξηγούσε το έργο της τριάδας των ερευνητών, δεν μπόρεσε να αντισταθεί και το αποκάλεσε «μια εξαιρετικά φορτισμένη ιστορία τεράστιου δυναμικού», ένα λογοπαίγνιο σχετικό με τις μπαταρίες.
Η Πρόεδρος της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας (ACS), Bonnie Charpentier, είπε ότι η φετινή ανακοίνωση Νόμπελ είναι «ιδιαίτερα συναρπαστική γιατί η εφεύρεση της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι κάτι που ο καθένας σε όλο τον κόσμο μπορεί να δει τη σημασία της: επιτρέπει τη μεταφορά, επιτρέπει την αποθήκευση και φορητότητα της ενέργειας και κάνει τους ανθρώπους πιο αποτελεσματικούς και ασφαλείς». Προσθέτει ακόμα: «Είναι πραγματικά συναρπαστικό να δούμε κάτι που αποδεικνύει τη συνεργατική προσπάθεια που οικοδομήθηκε με βάση ένα κομμάτι δουλειάς που συμπληρώθηκε διαδοχικά, από τα τρία μέλη μας, τα οποία συνολικά έχουν περισσότερα από 100 χρόνια συμμετοχής τους στην ACS». Το C & EN εκδίδεται από την ACS.
Ο Gavin Harper πιστεύει επίσης ότι το βραβείο είναι επίκαιρο. «Βρισκόμαστε λέει σε αυτό το σταυροδρόμι, όπου υπάρχει αυξημένη συνειδητοποίηση της υποχρέωσης που έχουμε στον κόσμο και της ανάγκης για απαλλαγή από τον άνθρακα». «Φαίνεται ότι οι προσπάθειες αυτές φτάνουν σε ένα crescendo, και πιστεύω ότι είναι πραγματικά επίκαιρο το ότι αυτή η τεχνολογία, που επιτρέπει την απανθρακοποίηση, εμφανίζεται φέτος».
ΔΙΟΡΘΩΣΗ Αυτή η ιστορία ενημερώθηκε στις 10 Οκτωβρίου 2019, για να διορθώσει το υλικό της ανόδου με το οποίο εργάστηκε ο Yoshino με-οπτάνθρακα πετρελαίου, όχι γραφίτη-και να αποσαφηνίσει το δυναμικό της πρώτης μπαταρίας Whittingham.
«Η μπαταρία ιόντων λιθίου διαμορφώνει τον σύγχρονο κόσμο με τρόπους που δεν θα μπορούσαν να προβλεφθούν», λέει ο Gavin Harper, ερευνητής στο Ινστιτούτο Faraday και ειδικός στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο Πανεπιστήμιο του Birmingham. «Είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει τη λειτουργία συσκευών που χρησιμοποιούμε στον σύγχρονο κόσμο, από τα έξυπνα ρολόγια μέχρι τα τηλέφωνα».
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παρέχουν μια ελαφριά, επαναφορτιζόμενη πηγή ενέργειας για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και ηλεκτρικά οχήματα. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες, οι οποίες παίρνουν την ισχύ τους από χημικές αντιδράσεις που διασπούν το ηλεκτρόδιο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παράγουν ενέργεια μέσω της αναστρέψιμης ροής ιόντων λιθίου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Αλλά για να γίνει αυτή η τεχνολογία εφικτή, οι χημικοί έπρεπε να «δαμάσουν» το λίθιο, ένα αλκαλικό μέταλλο που είναι επιρρεπές σε έκρηξη.
Η ιστορία της ανακάλυψης των μπαταριών ιόντων λιθίου χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970, κατά τη διάρκεια της πετρελαϊκής κρίσης. Τότε, ο Whittingham, ο οποίος δούλευε για την εταιρεία πετρελαίου και φυσικού αερίου Exxon, ερευνούσε υλικά πλούσια σε ενέργεια όταν κατάλαβε πώς να κατασκευάσει μια μπαταρία καθόδου από το δισουλφίδιο του τιτανίου (TiS2). Το TiS2 είναι ένα στρωματοποιημένο υλικό και τα ιόντα λιθίου ολισθαίνουν μεταξύ των στρωμάτων του - μια διαδικασία γνωστή ως παρεμβολή. Ο Whittingham συνδύασε αυτό με μια άνοδο από μεταλλικό λίθιο και πρόσθεσε έναν οργανικό υγρό ηλεκτρολύτη που θα μπορούσε να μεταφέρει ιόντα λιθίου μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Αυτή ήταν η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου.
Η μπαταρία αυτή παρουσίαζε πολλές αδυναμίες. Το μεταλλικό λίθιο θα μπορούσε να σχηματίσει ψιλοκομμένες βελόνες που θα προκαλούσαν βραχυκύκλωμα στη μπαταρία, την υπερθέρμανσή της και στη συνέχεια ενδεχομένως την έκρηξη. Ο Goodenough, ο οποίος δούλευε στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ανακάλυψε ότι τα ιόντα λιθίου θα μπορούσαν επίσης να διεισδύσουν μέσω του οξειδίου του κοβαλτίου. Την ίδια περίπου εποχή, ο Yoshino, ο οποίος δούλευε στο Asahi Kasei Corp., έδειξε ότι τα ιόντα λιθίου θα μπορούσαν επίσης να παρεμβληθούν στον οπτάνθρακα πετρελαίου. Χρησιμοποιώντας οξείδιο κοβαλτίου ως κάθοδο και οπτάνθρακα ως άνοδο, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια μπαταρία που θα μπορούσε να τρέξει σε περίπου 4 V, πολύ υψηλότερη από την μπαταρία των 2,4 V που είχε αναπτυχθεί αρχικά από τον Whittingham. Επίσης, ήταν ασφαλέστερη επειδή δεν περιείχε μεταλλικό λίθιο. Η μπαταρία μπορούσε να επαναφορτιστεί εκατοντάδες φορές χωρίς μείωση της απόδοσής της και κυκλοφόρησε στο εμπόριο το 1991. Η αναγνώριση της εργασίας αυτών των χημικών με το βραβείο Νόμπελ έχει προβλεφθεί από χημικούς εδώ και πολλά χρόνια. Στα 97 του, ο Goodenough είναι ο παλαιότερος βραβευμένος με Νόμπελ. «Υπήρχαν πολλοί επιστήμονες φέτος που όντως «ριζώθηκαν» με τον Goodenough», λέει ο Harper.
Ο Olof Ramström, μέλος της Επιτροπής Νομπέλ για τη Χημεία, κατά τη διάρκεια συνέντευξης τύπου σήμερα το πρωί, καθώς εξηγούσε το έργο της τριάδας των ερευνητών, δεν μπόρεσε να αντισταθεί και το αποκάλεσε «μια εξαιρετικά φορτισμένη ιστορία τεράστιου δυναμικού», ένα λογοπαίγνιο σχετικό με τις μπαταρίες.
Η Πρόεδρος της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας (ACS), Bonnie Charpentier, είπε ότι η φετινή ανακοίνωση Νόμπελ είναι «ιδιαίτερα συναρπαστική γιατί η εφεύρεση της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι κάτι που ο καθένας σε όλο τον κόσμο μπορεί να δει τη σημασία της: επιτρέπει τη μεταφορά, επιτρέπει την αποθήκευση και φορητότητα της ενέργειας και κάνει τους ανθρώπους πιο αποτελεσματικούς και ασφαλείς». Προσθέτει ακόμα: «Είναι πραγματικά συναρπαστικό να δούμε κάτι που αποδεικνύει τη συνεργατική προσπάθεια που οικοδομήθηκε με βάση ένα κομμάτι δουλειάς που συμπληρώθηκε διαδοχικά, από τα τρία μέλη μας, τα οποία συνολικά έχουν περισσότερα από 100 χρόνια συμμετοχής τους στην ACS». Το C & EN εκδίδεται από την ACS.
Ο Gavin Harper πιστεύει επίσης ότι το βραβείο είναι επίκαιρο. «Βρισκόμαστε λέει σε αυτό το σταυροδρόμι, όπου υπάρχει αυξημένη συνειδητοποίηση της υποχρέωσης που έχουμε στον κόσμο και της ανάγκης για απαλλαγή από τον άνθρακα». «Φαίνεται ότι οι προσπάθειες αυτές φτάνουν σε ένα crescendo, και πιστεύω ότι είναι πραγματικά επίκαιρο το ότι αυτή η τεχνολογία, που επιτρέπει την απανθρακοποίηση, εμφανίζεται φέτος».
ΔΙΟΡΘΩΣΗ Αυτή η ιστορία ενημερώθηκε στις 10 Οκτωβρίου 2019, για να διορθώσει το υλικό της ανόδου με το οποίο εργάστηκε ο Yoshino με-οπτάνθρακα πετρελαίου, όχι γραφίτη-και να αποσαφηνίσει το δυναμικό της πρώτης μπαταρίας Whittingham.