Βραβείο Νόμπελ για μπαταρίες ιόντων λιθίου και φορητή ενέργεια
Τρεις ερευνητές τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Χημείας σήμερα το πρωί για τους ρόλους τους στην ανάπτυξη μπαταριών ιόντων λιθίου, μιας τεχνολογίας που κατέστησε δυνατό τον φορητό ηλεκτρονικό μας πολιτισμό των κινητών τηλεφώνων και των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Ο John Goodenough του Πανεπιστημίου του Τέξας, στο Austin, M. Stanley Whittingham του Πανεπιστημίου Binghamton και ο Akira Yoshino του Πανεπιστημίου Meijo μοιράζονται εξίσου το βραβείο.
«Θα πρέπει να εκτιμήσουμε ότι ολόκληρος ο κόσμος μας έχει μεταμορφωθεί από την μπαταρία ιόντων λιθίου», δήλωσε η Clare Grey, καθηγήτρια χημείας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge που έχει συνεργαστεί τόσο με τον Goodenough όσο και με τον Whittingham. «Είναι η μπαταρία ιόντων λιθίου που πραγματικά υποστήριξε ολόκληρη την επανάσταση των φορητών ηλεκτρονικών ειδών και επίσης μειώνει την CO2 δυνατό», πρόσθεσε.
«Πάνω από τα δύο τρίτα του παγκόσμιου πληθυσμού είναι κάτοχοι μιας κινητής συσκευής, είτε πρόκειται για έξυπνο τηλέφωνο, φορητό υπολογιστή ή tablet, και σχεδόν όλες [τροφοδοτούνται] από επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου», Paul Coxon, καθηγητής επιστήμης υλικών και μεταλλουργίας στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, έγραψε σε ένα email. «Είναι τα κρυμμένα άλογα εργασίας της εποχής των κινητών, που προέκυψαν χάρη στη θεμελιώδη έρευνα που ξεκίνησε πριν από περισσότερα από 40 χρόνια». Το σημερινό βραβείο τιμά τους ρόλους που έπαιξαν οι Goodenough, Whittingham και Yoshino σε αυτό το μεταμορφωτικό έργο.
Όταν οι ερευνητές ξεκίνησαν την εργασία τους πριν από περισσότερες από τέσσερις δεκαετίες, ο κόσμος αντιμετώπισε μια ενεργειακή και μια περιβαλλοντική κρίση, που και οι δύο χτίζονταν εδώ και δεκαετίες. Στην αυγή της ηλεκτρικής εποχής στα τέλη του 19ου αιώνα, οι μπαταρίες ήταν κοινά εξαρτήματα των πρώτων αυτοκινήτων και άλλων συσκευών. Αλλά ήταν βαριές και αναποτελεσματικές και η έρευνα για τη βελτίωσή τους παρέμεινε στάσιμη. Τα καύσιμα πετρελαίου έγιναν γρήγορα η κύρια πηγή ενέργειας για την τροφοδοσία αυτοκινήτων και άλλων απαιτητικών συστημάτων.
Αλλά μέχρι τη δεκαετία του 1960, οι κίνδυνοι μιας τόσο μεγάλης εξάρτησης από το πετρέλαιο έγιναν εμφανείς. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι ελλείψεις πετρελαίου, σε συνδυασμό με τον αέρα γεμάτο αιθαλομίχλη στις πόλεις και άλλους περιβαλλοντικούς κινδύνους, κατέστησαν σαφές ότι απαιτείται έρευνα (και γρήγορα) για να βρεθούν πιο βιώσιμοι τρόποι αποθήκευσης και χρήσης ενέργειας.
Και έτσι, η δουλειά στις μπαταρίες επέστρεψε. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες αναζήτησαν ένα που θα μπορούσε να εκμεταλλευτεί το λίθιο, το ελαφρύτερο μέταλλο στον περιοδικό πίνακα και ένα υλικό που είναι ιδιαίτερα προδιατεθειμένο να σχηματίσει ιόντα εγκαταλείποντας ηλεκτρόνια. Αλλά «για να χρησιμοποιήσετε το λίθιο σε μια μπαταρία, πρέπει πραγματικά να δαμάσετε την αντιδραστικότητά της», είπε ο Όλοφ Ράμστρομ, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Λόουελ και μέλος της επιτροπής για το βραβείο Νόμπελ, κατά τη σημερινή ανακοίνωση. «Και αυτό ακριβώς πέτυχε η δουλειά των βραβευθέντων.»
Οι μπαταρίες ουσιαστικά αποθηκεύουν και απελευθερώνουν ενέργεια μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε δύο ηλεκτρόδια, μια θετικά φορτισμένη κάθοδο και μια αρνητικά φορτισμένη άνοδο. Τα θετικά ιόντα μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο μέσω ενός ηλεκτρολύτη μεταξύ των δύο, ο οποίος με τη σειρά του προτρέπει τα ηλεκτρόνια να ρέουν αντίθετα μέσω ενός κυκλώματος που έχει ρυθμιστεί για να τροφοδοτεί μια συνδεδεμένη συσκευή. Αυτή η διαδικασία αντιστρέφεται για να γίνει η μπαταρία επαναφορτιζόμενη.
«Μπορεί να φαίνεται σχετικά εύκολο να φτιάξεις μια μπαταρία», είπε ο Ramström. «Ωστόσο, αυτό σίγουρα δεν ισχύει. Είναι πραγματικά πολύ, πολύ δύσκολο να παράγεις, να σχεδιάσεις και να αναπτύξεις εύχρηστες και αποδοτικές μπαταρίες.”
Αλλά οι Whittingham, Goodenough και Yoshino βρήκαν έναν τρόπο.
Στη δεκαετία του 1970, ο Whittingham έκανε έρευνα για νέα υπεραγώγιμα υλικά, με εστίαση σε στρωματοποιημένα στερεά που θα μπορούσαν εύκολα να προσλάβουν ιόντα στη μήτρα τους. Η συνάφεια αυτής της εργασίας με την ανάπτυξη μπαταριών έγινε σύντομα εμφανής. Αυτό οδήγησε τον Whittingham να αναπτύξει ένα νέο υλικό καθόδου, το δισουλφίδιο του τιτανίου, που επέτρεπε στα ιόντα λιθίου να κινούνται ελεύθερα μέσα σε αυτό. «Ο Stan ήταν εκεί στην αρχή. Χρησιμοποιούσε πολύ κλασικές αρχές χημείας στερεάς κατάστασης που είχε βρει» στο παρελθόν στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, είπε ο Γκρέι. Η έρευνά του για την κάθοδο «αποτέλεσε τη βάση για την εύρεση ολόκληρων τάξεων υλικών και των ιδεών στις οποίες έχουμε βασιστεί όλα αυτά τα χρόνια».
Ο Goodenough στη συνέχεια βελτίωσε τον σχεδιασμό της μπαταρίας με βάση το έργο του Whittingham. Από την κατανόηση των χημικών αρχών που εμπλέκονται, συνειδητοποίησε ότι ένα υλικό οξειδίου μετάλλου θα μπορούσε να κρατήσει περισσότερη ενέργεια στην κάθοδο από ό,τι ένα θειούχο μέταλλο. Τελικά, διαπίστωσε ότι αν αντικαθιστούσε την κάθοδο δισουλφιδίου του τιτανίου με μια από οξείδιο του κοβαλτίου, θα μπορούσε σχεδόν να διπλασιάσει την τάση της μπαταρίας, αυξάνοντας παράλληλα την ενεργειακή χωρητικότητα, επιτρέποντας μπαταρίες υψηλότερης τάσης με εκτεταμένη διάρκεια ζωής ανά φόρτιση.
Η Vanessa Wood, καθηγήτρια στο τμήμα τεχνολογίας πληροφοριών και ηλεκτρολόγων μηχανικών στο ETH Zürich, σημειώνει ότι η πολυεπίπεδη σχεδίαση καθόδου του Goodenough εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σήμερα. «Αν κοιτάξετε την εξέλιξη της μπαταρίας από την πρώτη εμπορευματοποίησή της από τη Sony το '91 μέχρι αυτό που έχουμε στα αυτοκίνητα Tesla σήμερα ή στους φορητούς υπολογιστές και τα κινητά μας τηλέφωνα, αυτά τα υλικά καθόδου ήταν μια από τις βασικές πηγές βελτίωσης και καινοτομίας .”
Ένα τελευταίο σύνολο βελτιώσεων προήλθε από τον Yoshino και επικεντρώθηκε στην άνοδο. Η άνοδος μετάλλου λιθίου ήταν πάντα προβληματική, κυρίως επειδή η αστάθειά της μπορούσε μερικές φορές να προκαλέσει βραχυκύκλωμα και έκρηξη των μπαταριών. «Το αρχικό στάδιο της έρευνάς μου δεν ήταν για δευτερεύουσες μπαταρίες», είπε ο Yoshino κατά τη διάρκεια τηλεφωνικής συνέντευξης με την Επιτροπή Νόμπελ στην τελετή ανακοίνωσης. «Το πρώτο βήμα ήταν νέα υλικά:ηλεκτροαγώγιμα πολυμερή». Ωστόσο, αυτή η έρευνα έδειξε στον Yoshino πώς να αντικαταστήσει την άνοδο καθαρού μετάλλου λιθίου με μια από οπτάνθρακα πετρελαίου, μια μήτρα άνθρακα. Όταν συνδυάστηκε με τη νέα κάθοδο του Goodenough, δημιούργησε μια ασφαλή, ελαφριά και εξαιρετικά αποδοτική μπαταρία.
Αυτός ο σχεδιασμός είναι πανταχού παρών σήμερα, τροφοδοτεί φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και βοηθά στη μετατόπιση της παγκόσμιας ενεργειακής υποδομής προς μια πιο βιώσιμη κατεύθυνση, καθώς επιτρέπει την αποτελεσματική αποθήκευση και λειτουργία της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές, όπως ο ήλιος και ο άνεμος. /P>
"Και οι τρεις νικητές του Νόμπελ έπαιξαν ζωτικό ρόλο σε αυτή την επανάσταση αποθήκευσης ενέργειας, η οποία έχει πλέον βάλει δύναμη στις τσέπες μας", είπε ο Coxon.
«Αυτές οι μπαταρίες βοήθησαν στην τροφοδοσία της φορητής επανάστασης και τώρα έχουν κρίσιμο ρόλο στα ηλεκτρικά οχήματα για τη μείωση των εκπομπών και τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα», δήλωσε ο Saiful Islam, καθηγητής χημείας στην ερευνητική ομάδα ενεργειακών υλικών στο Πανεπιστήμιο του Μπαθ. «Στην πραγματικότητα, οι περισσότεροι άνθρωποι πιθανότατα είδαν αυτές τις ειδήσεις για το βραβείο Νόμπελ σε μια συσκευή που τροφοδοτείται από μπαταρία ιόντων λιθίου. Κατά την άποψή μου, αυτό το βραβείο έχει καθυστερήσει πολύ και είναι υπέροχο να βλέπουμε ότι αυτός ο σημαντικός τομέας της χημείας των υλικών έχει αναγνωριστεί."
Αυτό το άρθρο περιλαμβάνει συνεισφορές από την Έλενα Ρένκεν.
Ο Michel Mayor, ο Didier Queloz και ο James Peebles κέρδισαν το φετινό Βραβείο Νόμπελ Φυσικής και οι William G. Kaelin Jr., Peter J. Ratcliffe και Gregg L. Semenza μοιράστηκαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής .
