Nobelova nagrada za kemijo 2019

Letošnjo Nobelovo nagrado za kemijo bodo podelili za dosežke, ki so še posebej tesno povezani z računalništvo in preostalimi elektronskimi napravami, ki jih uporabljamo vsakdan. Ameriški fizik John Goodenough, britanski kemik Stanley Whittingham in japonski kemik Akira Jošino so se v zgodovini zapisali z razvojem litij-ionskih baterij, za kar bodo decembra prejeli tudi Nobelovo nagrado. Goodenough je s 97 leti tudi najstarejši prejemnik Nobelove nagrade doslej.

Litij-ionske baterije so danes tako samoumevne, da si pogosto sploh ne sprašujemo več o viru ali skladišču energije za prenosne naprave. To preprosto obstaja, tehnologija je robustna in zanesljiva, ves čas pa se zlagoma izboljšuje. Litij-ionske baterije so dosegle kapacitete in zanesljivost, da se uporabljajo tudi v električnih vozilih in celo v velikih skladiščih energije za stabilizacijo električnega omrežja.

Baterije so v osnovi preproste, v praksi pa izjemno zapletene, saj je njegova uporabnost odvisna od nešteto detajlov. Načeloma jih sestavljata dve elektrodi, ki sta povezani z vodnikom. Hkrati sta potopljeni v elektrolit, po katerem se lahko premikajo ioni, in ki je pregrajen s separatorjem. Ko tečejo elektroni z anode na katodo, se anoda oksidira (in kemično spreminja), katoda pa reducira; pri polnjenju se dogaja obratno. Najpreprostejše baterije so imele kovinske plošče v raztopinah ustreznih ionov (denimo baker v bakrovem sulfatu, cink v cinkovem sulfatu, povezana z vodnikom, raztopini pa z elektrolitskim ključem). Take baterije se ne morejo ponovno napolniti. Avtomobilski akumulator pa ima dve svinčeni elektrodi, kjer je ena oksidirana, druga pa ne. Ko akumulator praznimo, se obe pretvarjata v svinčev sulfat, kar je reverzibilna reakcija, zato lahko akumulator polnimo. Potopljeni sta v žvepleno kislino. A nič od tega ni uporabno za mobilne telefone.

Zgodovina litij-ionskih baterij v resnici sega v 70. leta, ko se je sveži podoktorand Stanley Whittingham s Stanforda preselil v Exxon. Naftni šok je tudi Exxon vzpodbudil, da je začel širiti svojo dejavnost. Podpirali so tudi temeljne raziskave z vseh področij energetike, ki niso vključevala nafte. Whittingham je preiskoval superprevodnike, med njimi tudi tantalov disulfid, ki so imeli sposobnost interkalacije ionov. To pomeni, da se ioni vrinejo v strukturo med plasti izvirnega materiala, ne da bi znatno spremenili njegovo kristalno strukturo. Ugotovil je, da interkalacija ionov v tantalov disulfid povzroči spremembo njegove prevodnosti. Vgradnja kalijevih ionov vanj je imela tudi močan električen učinek, saj se je potencial spremenil za nekaj voltov. Ker je tantal pretežak, ga je zamenjal s titanom. Whittingham je izdelal baterijo, s katero je hitro prepričal tudi Exxon, da podpre njeno komercializacijo. Katoda je bila iz titanovega disulfida, anoda pa iz kovinskega litija. Litij zlahka odda elektrone, zato ima takšna baterija sorazmerno visoko napetost. Litij je lahek (gostota 0,53 kg/l) in močno elektropozitiven (standardni potencial proti vodikovi elektrodi je -3,05 V!). Toda kovinski litij je imel precej težav. Pri praznjenju se je raztapljal, pri polnjenju pa znova nalagal, pri čemer je tvoril koničaste izrastke (dendrite), ki so predrli separator med elektrodama in povzročili ničkoliko kratkih stikov, ki so se končali s požarom. In da, litij je izjemno občutljiv na kisik ali vodo, ki ju je treba izgnati iz baterije.

Exxon je v 80. letih prenehal razvijati litijevo baterijo. Nadaljeval je Goodenough, ki je kot fizik sumil, da bi bilo namesto titanovega disulfida koristneje vzeti kakšen oksid. Sistematično iskanja materiala, ki ima visok potencial, a se pri odstraniti interkaliranih ionov ne sesede (ne spremeni kristalne rešetke), je obrodilo sadove. Našel je litij-kobaltov oksid. Anoda pa je bila še vedno iz kovinskega litija. Takšna baterija je imela dvakrat višjo napetost (okrog 4 V).

Akira Jošino pa je izdelek prinesel v dnevne sobe slehernika, saj je izdelal prvo komercialno uspešno litij-ionsko baterijo. Izboljšal je še anodo, ko je uporabil petrolkoks. Vanj se litijevi ioni zlahka interkalirajo, ko je baterija polna, pri praznjenju pa potem tečejo proti katodi iz litij-kobaltovega oksida. Tako se znebimo kovinskega litija, saj se v bateriji sprehajajo zgolj litijevi ioni, ki se v nobeni stopnji ne reducirajo do elementarnega litija. To je izjemno dobrodošlo, saj se elektrodi ne spreminjata, le litijeve ione si podajata. Po več tisoč ciklih se seveda izčrpata in nekoliko spremenita, zato baterijam pade kapaciteta, a to je vseeno neprimerljivo boljše od klasičnih baterij, kjer se elektrodi kemično spreminjata. Tako so leta 1991 na Japonskem začeli prodajati litij-ionske baterije, ki so danes postala najpogostejša vrsta baterij.

Litij-ionske baterije odlikuje visoka energijska gostota na maso, ki ji drugi elementi težko parirajo. Raziskujejo se tudi magnezijeve in aluminijeve baterije, ker imata ta elementa - kljub višji masi - zaradi večvalentnosti potencial za uspeh. Tako pri teh kot tudi pri litijevih baterija še vedno potekajo intenzivne raziskave novih materialov, s katerimi izboljšujejo njihove lastnosti - kapaciteto, dolgoživost, sposobnost hitrega polnjenja, odpornost na udarce itd.