Сучасний смартфон, електромобіль, ноутбук і навіть орбітальний супутник мають одне спільне — літій-іонна батарея всередині. Але мало хто знає, що ця технологія народилася в надрах нафтового гіганта Exxon під час енергетичної кризи 1970-х, пройшла через пожежі, бюрократичні тупики та випадкові відкриття, перш ніж потрапити до наших кишень.
Нафтова криза як поштовх до революціїУ 1972 році британський хімік Стенлі Уіттінгем працював у дослідницькій лабораторії Exxon у Нью-Джерсі, вивчаючи матеріали для зберігання енергії. Тоді це був другорядний проект. Але вже наступного року арабські країни різко скоротили експорт нафти, ціна барреля злетіла вдвічі — і Exxon раптово побачила майбутнє в електриці.
Керівництво компанії виділило Уіттінгему практично необмежені ресурси. Він зосередився на дисульфіді титану — матеріалі з унікальною шаруватою структурою, між пластинами якого можуть вільно ковзати іони. У парі з літієм це давало напругу 2,4 вольта — майже вдвічі більше, ніж у будь-яких тогочасних акумуляторах на водній основі, обмежених порогом у 1,23 В.
Чому літій — ідеальний,
але небезпечнийЛітій приваблює інженерів з двох причин: він найлегший із металів і легко віддає свій єдиний зовнішній електрон, що забезпечує максимальну напругу серед усіх металів. Проте варто кинути шматочок літію у воду — і реакція буде вибухонебезпечною.
Саме ця небезпека і підвела першу версію батареї Уіттінгема. При зарядці на літієвому аноді виростали так звані дендрити — тонкі металеві голки, які пробивали сепаратор і замикали коло. Наслідок — різкий нагрів, пожежа або вибух. Пожежники приїздили до лабораторії Exxon так часто, що погрожували виставляти рахунки за вогнегасні хімікати.
Коли нафтова криза вщухла, Exxon закрила програму. Уіттінгем опублікував свої результати у 1976 році — і здавалося, що ідея похована.
Оксфорд, відмови та геній ГуденафаСтаття Уіттінгема потрапила до рук Джона Гуденафа — американського фізика в Оксфорді. Він одразу побачив слабке місце: дисульфід титану обмежував напругу. Гуденаф замінив його оксидом кобальту-літію, і напруга стрибнула з 2,4 до 4 вольт. Крім того, літій вже був вбудований у структуру катода, що теоретично дозволяло взагалі відмовитися від небезпечного літієвого металу на аноді.
Гуденаф звертався до виробників у США, Великій Британії та Європі — усі відмовили. Оксфорд відмовився патентувати винахід. Зрештою державна лабораторія погодилася, але лише за умови, що вчений відмовиться від фінансових прав. Він погодився. Так революційна технологія вдруге опинилася на полиці.
Японський хімік, пластик і щасливий випадокПоки Гуденаф шукав зацікавлених, японський хімік Акіра Йосіно в компанії Asahi Chemical шукав безпечний анод. Він експериментував із поліацетиленом — провідним пластиком, здатним поглинати іони літію. Місяцями нічого не виходило: без літієвого металу на аноді не було звідки брати іони.
У останній робочий день 1982 року, прибираючи офіс, Йосіно натрапив на статтю Гуденафа 1980 року. Катод із оксиду кобальту-літію містив іони вже всередині — це була відсутня ланка. Йосіно зібрав тестову комірку, і вона спрацювала. Пізніше він замінив поліацетилен на графіт із вищою щільністю, а потім провів вирішальний тест: зарядив батарею і кинув на неї важку залізну штангу. Нічого не сталося. Для порівняння, попередня версія з літієвим металом вибухнула.
Sony, касетна відеокамера та 99% здешевленняУ 1986 році представник Asahi таємно привіз до Бостона три банки з матеріалами для катода, анода та електроліту. Невелика фірма з переобладнаного гаража зібрала 200 циліндричних комірок — навіть не здогадуючись, що тримає в руках перші у світі літій-іонні батареї промислового зразка.
Після презентації Sony батарея пішла у виробництво. У 1991 році вона з’явилася у відеокамері Sony Handycam. З того часу ціна одного кіловат-години впала на 99% — з близько 9 000 до 100 доларів. У 2019 році Уіттінгем, Гуденаф і Йосіно отримали Нобелівську премію з хімії. Гуденафу на той момент було 97 років — він став найстарішим нобелівським лауреатом в історії.
Попри десятиліття вдосконалень, літій-іонні батареї залишаються потенційно небезпечними. Кожного тижня на борту літаків фіксується щонайменше один інцидент, пов’язаний із загорянням батареї. Проблема в тому, що батарея містить усе необхідне для пожежі одночасно: паливо, окислювач і джерело тепла. При перегріві вище 80°C захисний шар SEI на аноді руйнується, за 130°C плавиться сепаратор,
катод починає виділяти кисень — і пожежа живить сама себе.
Загасити таку пожежу складно: вогонь продовжується навіть без зовнішнього кисню. Найефективніший метод — повне занурення батареї у воду, проте для великих акумуляторних пакетів електромобілів це майже нереально.
Що даліЗа прогнозами, до 2030 року світу знадобиться понад 17 мільйонів тонн матеріалів для батарей. Літій становить лише 20 частин на мільйон земної кори, а 70% кобальту видобувається в Демократичній Республіці Конго в умовах, що нерідко порушують права людини.
Пошук наступного покоління акумуляторів — дешевших, безпечніших, ємніших і швидших у зарядці — триває. Літій-іонна батарея змінила світ, але майбутнє енергетики, схоже, потребуватиме зовсім інших рішень.
Запис Як два метри фольги в алюмінієвому циліндрі змінили світ: історія літій-іонних батарей спершу з'явиться на ProstoMob.
