Trīs pētnieki, kas viedtālruņu ēras centrā izstrādāja tehnoloģiju – un no tās izrietošo sabiedrības transformāciju – ir ieguvuši 2019. gada Nobela prēmiju ķīmijā. John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham un Akira Yoshino darbs veica būtisku progresu litija jonu baterijās, kas uzglabā lielu enerģijas daudzumu mazos akumulatora elementos un ir ātri un viegli uzlādējami.
Pirmo reizi Sony pārdeva komerciāli 1991. gadā savām videokamerām, šāda veida baterijas ir labas daudz vairāk nekā pārnēsājamā plaša patēriņa elektronika. Tie ir divu citu tehnoloģisko revolūciju centrā, kas spēj pārveidot sabiedrību: pāreja no iekšdedzes dzinējiem uz elektriskajiem transportlīdzekļiem un pāreja no elektrotīkla, ko darbina fosilais kurināmais, uz atjaunojamās enerģijas ģeneratoriem, kas uzkrāj lieko elektroenerģiju baterijās turpmākai izmantošanai.
Tātad, kā šīs baterijas darbojas? Zinātnieki un inženieri ir pavadījuši visu karjeru, cenšoties veidot labākas baterijas, un joprojām ir noslēpumi, kurus mēs līdz galam nesaprotam. Lai uzlabotu baterijas, ķīmiķiem un fiziķiem ir jāskatās uz izmaiņām atomu līmenī, kā arī mehānikas un elektroinženieri, kas var izstrādāt un montēt akumulatorus, kas darbina ierīces. Kā materiālu zinātnieks Vašingtonas un Klusā okeāna Ziemeļrietumu Nacionālajā laboratorijā mans darbs ir palīdzējis izpētīt jaunus materiālus litija gaisa baterijām, magnija baterijām un, protams, litija jonu baterijām.
Apskatīsim dienu divu elektronu dzīvē. Mēs nosauksim vienu no viņiem par Aleksu, un viņam ir draugs Vārdā Džordžs.
Akumulatora anatomija
Alex dzīvo standarta sārmainā AA akumulatorā, piemēram, zibspuldziņā vai tālvadības pultī. AA akumulatora iekšpusē ir nodalījums, kas piepildīts ar cinku, un vēl viens, kas piepildīts ar mangāna oksīdu. Vienā galā tikai cinksvāji karājas uz elektroniemkā Alekss. No otras puses, mangāna oksīdsspēcīgi velkelektroni pret sevi. Pa vidu, apturot elektronu nonākšanu tieši no vienas puses uz otru, ir papīra gabals, kas iemērc kālija un ūdens šķīdumā, kas pastāv līdzās kā pozitīvi kālija joni un negatīvi hidroksīda joni.
Kad akumulators ir ievietots ierīcē un ieslēgts, ierīces iekšējā ķēde ir pabeigta. Alekss tiek izvilkts no cinka caur ķēdi un mangāna oksīds. Pa ceļam viņa kustība darbina ierīci vai spuldzi, vai ko citu, kas ir savienots ar akumulatoru. Kad Alekss aiziet, viņš nevar atgriezties: cinks, kas ir zaudējis elektronu saites ar hidroksīdu, lai veidotu cinka oksīdu. Šis savienojums ir ļoti stabils, un to nevar viegli pārvērst atpakaļ cinkā.
Otrā akumulatora pusē mangāna oksīds iegūst skābekļa atomu no ūdens un atstāj hidroksīda jonus, lai līdzsvarotu cinka patērēto hidroksīdu. Kad visi Aleksa kaimiņi ir atstājuši cinku un pārcēlušies uz mangāna oksīdu,akumulators ir izlādējiesun tas ir jāpārstrādā.
Litija jonu priekšrocības
Salīdzināsim to ar Džordžu, kurš dzīvo litija jonu akumulatorā. Litija jonu baterijām ir tādi paši pamata celtniecības bloki kā sārmainām AA šūnām, un dažas atšķirības, kas piešķir lielas priekšrocības.
Džordžs dzīvo grafītā, kas ir pat vājāks par cinku, turoties pie elektroniem. Un otra viņa baterijas daļa ir litija kobalta oksīds, kas elektronus velk daudz spēcīgāk nekā mangāna oksīds – kas viņa akumulatoram dod iespēju uzglabāt daudz vairāk enerģijas tādā pašā telpas daudzumā nekā sārmains akumulators. Risinājums, kas atdala grafītu un litija kobalta oksīdu, satur pozitīvi lādētus litija jonus, kas viegli veido un salauž ķīmiskās saites, kad akumulators tiek izlādēts un uzlādēts.
