Что такое литий-ионный аккумулятор ?

Нобелевскую премию по химии в 2019 году присудили Джону Гуденафу, Стэнли Уиттенгему и Акире Ёсино за создание литий-ионных батарей. Надо уточнить, что премию присудили именно за создание аккумулятора, а не изобретение «батарейки» — аккумуляторами называют не любые источники тока, а только такие, которые можно многократно перезаряжать.



Торжественная церемония вручения премий
пройдет 10 декабря в день смерти
Альфреда Нобеля

Какая батарея стоит в моей технике?

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) используются в электромобилях, электросамокатах, портативных колонках, смартфонах, ноутбуках… Одним словом — во всех современных портативных гаджетах. Это самый популярный тип аккумуляторов. Главные преимущества таких аккумуляторов: высокая энергетическая плотность (ёмкость) и низкий саморазряд.

Фактически индустрии смартфонов не было бы, если бы не было литий-ионных аккумуляторов. То количество энергии, которое потребляет процессор современного телефона, нельзя было бы обеспечить каким-либо другим источником энергии.

Как работает обычная литий-ионная батарейка?

Все аккумуляторы работают за счет того, что в них происходят химические реакции с обменом электронами между атомами. В аккумуляторах этот обмен электронами идет не напрямую от атома к атому, а очень кружным путем: через провода, микросхемы, диоды и обмотки моторов. Электроны, вышедшие из отрицательного электрода, в конце концов возвращаются в положительный, но энергия, которая при горении ушла бы в тепло или свет, в аккумуляторах превращается в электричество.

Конкретно в литиевых аккумуляторах реакция идет между ионом лития и веществами, из которых составлены электроды. В самом литии как элементе ничего особенного нет, его мог бы заменить и другой металл. Сложность, с которой справились нынешние лауреаты, заключалась не столько в том, чтобы выбрать правильный металл, сколько в том, чтобы подобрать для него правильные электроды и собрать все это в работающую систему. В заряженном состоянии ионы лития в аккумуляторе сидят в удобных для них шестиугольных ячейках, образованных углеродными атомами в коксе (у ранних аккумуляторов) или в графите (у современных).

Что такое литий-ионный аккумулятор ? 1
Когда к устройству подключают нагрузку, атомы лития покидают свои посадочные места, оставляя в них свои электроны. После этого они и устремляются к противоположному электроду, где для лишенных электронов ионов находятся еще более удобные (в химическом смысле) посадочные места. А оставленные в графите электроны устремляются в электрическую цепь, производят работу и в конце концов возвращаются в аккумулятор, только уже на противоположном его конце. Когда устройство ставят на зарядку, все повторяется с точностью до наоборот.

Химия аккумуляторов — Даниил Иткис / ПостНаука
ПостНаука