Nagroda Nobla z chemii za litowo-jonowe baterie

Lit to najlżejszy stały pierwiastek, silnie reaktywny, skłonny do pozbywania się elektronu i tworzenia stabilnego, dodatniego jonu. Ta reaktywność w codziennym życiu bywa kłopotliwa, bardzo przydaje się jednak w pracach nad tworzeniem ogniw. W początkach lat 70. minionego stulecia wykorzystał ją do stworzenia pierwszej litowej baterii Brytyjczyk Stanley Whittingham. W 1980 roku Amerykanin John Goodenough podwoił jej napięcie. Możliwość praktycznych zastosowań tej baterii otworzyła się w 1985 roku, kiedy Japończyk Akira Yoshino wyeliminował z niej czysty lit i stworzył znacznie bezpieczniejszą wersję opartą na jonach litu. 

Co ciekawe początki prac nad bateriami wykorzystującymi lit datują się na okres kryzysu energetycznego i problemów z dostępnością ropy naftowej. To wtedy koncerny naftowe zaczęły inwestować w badania, które mogłyby dać szansę na alternatywne źródła energii. Znano wtedy praktycznie tylko dwa rodzaje baterii, klasyczne akumulatory ołowiowe, skonstruowane ponad sto lat wcześniej i baterie niklowo-kadmowe, jeszcze z pierwszej połowy XX wieku. Koncern Exxon wyłożył spore pieniądze i zatrudnił rzeszę wybitnych specjalistów w nadziei, że uda się wymyślić coś nowego. 

Od 1972 roku pracował tam także Stanley Whittingham, który przeniósł się z Uniwersytetu Stanforda. Wraz z zespołem Whittingham opracował baterię z anodą litową, której katoda była zbudowana z dwusiarczku tytanu. Bateria dawała napięcie nieco ponad 2 voltów, ale ze względu na reaktywność metalicznego litu była zbyt niestabilna i wybuchowa, by można było ją praktycznie wykorzystać. Podczas testów laboratoryjnych dochodziło nawet do pożarów, bo przy wielokrotnym ładowaniu w bateriach tworzyły się litowe dendryty, prowadzące do zwarcia anody z katodą. Zmiany elektrolitu i dodanie aluminium do litowej anody nieco poprawiły stabilność baterii, doczekała się ona nawet małej produkcji dla szwajcarskiego wytwórcy zegarków. W latach 80 jednak ceny ropy naftowej spadły i Exxon się z projektu wycofał. 

John Goodenough znał prace Whittinghama, przewidział, że katoda mogłaby być nawet bardziej wydajna gdyby zamiast siarczków wykorzystać tlenki metali. Systematyczne poszukiwania odpowiedniego materiału przyniosły zaskakująco korzystne wyniki. Okazało się, że bateria z katodą z tlenku kobaltu z wbudowanymi jonami litu może dać dwukrotnie wyższe napięcie na poziomie 4 voltów. Kluczem do sukcesu okazała się obserwacja, że baterie nie muszą być produkowane w stanie naładowanym, można je naładować później. W 1980 roku Goodenough opisał w publikacji nowy materiał katody, który mimo niskiej wagi pozwalał na budowę baterii o dużej pojemności. Zdaniem komitetu Noblowskiego to był decydujący krok na drodze do mobilnej rewolucji. 

O ile na Zachodzie zainteresowanie alternatywnymi źródłami zasilania przejściowo słabło, w Japonii było inaczej. Silny przemysł elektroniczny potrzebował nowych, pojemnych baterii i akumulatorów do swoich przenośnych kamer video, czy bezprzewodowych telefonów. Jednym z badaczy, którzy wyczuli otwierające się szanse był Akira Yoshino z firmy Asahi Kasei Corporation. Yoshino wykorzystał katodę skonstruowaną przez Goodenougha i próbował do niej dobrać różnego typu węglowe anody. Przełom przyniosło zastosowanie pochodzącego z przetwarzania ropy tzw. koksu naftowego, w który także da się wbudować jony litu. W 1985 roku udało się na tej bazie zbudować pierwszą stabilną, lekką i pojemną baterię litowo-jonową.

Kluczową zaletą tej baterii jest fakt, że jony litu są wbudowane w elektrody i podczas ładowania i rozładowywania przepływają bez oddziaływania z otoczeniem. Ponieważ nie zachodzą żadne reakcje chemiczne, które mogłyby przyczyniać się do stopniowej degradacji elektrod, bateria jest bardzo trwała i można ją wielokrotnie ładować. Brak metalicznego litu zwiększa jej bezpieczeństwo. Tego typu baterie trafiły na rynek na początku lat 90. i stopniowo udoskonalane przyczyniły się do obserwowanej do dziś mobilnej rewolucji. Ich producenci liczą na to, że uda się na ich bazie zbudować na tyle pojemne instalacje, by były w stanie magazynować energię pochodzącą z odnawialnych źródeł, wiatrowych, czy słonecznych. 

Dziś poznaliśmy laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Jutro usłyszymy nazwiska dwóch noblistów w dziedzinie literatury. Nagroda pokojowa przyznana będzie w Instytucie Nobla w Oslo. Zgodnie z wolą fundatora to jedyna nagroda jego imienia przyznawana w Norwegii, a nie w Szwecji. Jak ujawnił na początku marca norweski komitet noblowski, w tym roku napłynęło 301 kandydatur, wskazano 223 osoby oraz 78 organizacji.

W poniedziałek Instytut Karoliński w Sztokholmie przyznał tegoroczną nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie mechanizmów, w jaki sposób komórki odczuwają i adaptują się do zmian dostępności tlenu.

Nagrodą podzielą się po równo Amerykanin William G. Kaelin Jr., Brytyjczyk Sir Peter J. Ratcliffe i Amerykanin Gregg L. Semenza. Tlen ma kluczowe znaczenie dla procesów przemiany materii. Tegorocznych laureatów wyróżniono za odkrycie procesów regulacji aktywności genów, które pozwalają organizmowi dopasowywać się do zmian poziomu tlenu. Ich prace pomogły w tworzeniu nowych metod terapii anemii, raka i wielu innych chorób. Ich ubocznym skutkiem jest doping sportowy z wykorzystaniem EPO.

Z kolei we wtorek poznaliśmy laureatów nagrody Nobla z fizyki. Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała ją badaczom, którzy dali ludzkości “nowe perspektywy naszego miejsca we Wszechświecie”. Połowę nagrody otrzymał Amerykanin kanadyjskiego pochodzenia, James Peebles z Princeton University za “teoretyczne odkrycia w dziedzinie kosmologii”. Drugą połową podzielą się Szwajcarzy Michel Mayor i Didier Queloz z University of Geneva za “odkrycie pierwszej planety pozasłonecznej, krażącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca”.