Уже третий год подряд накануне вручения Нобелевской премии в Киеве обсуждают достижения в науке и рассказывают об изобретениях, которые изменили мир. Во время пре-пати Нобелевской премии Nobilitet украинские ученые рассказали о том, как развивается наука сегодня.

Ученый из Дрезденского института твердого тела и исследований материалов Олег Фея рассказал, как литий-ионные батареи, которые сейчас есть в кармане у каждого, изменили нашу жизнь. Одна из тем исследований ученого – двумерные кристаллы: материалы, которые испытывают для совершенствовании литий-ионных аккумуляторов и устройств, когда могут прийти им на замену.

Свою лекцию Олег Фея назвал «литиевый век». Это логичное название нашей современной цивилизации: сейчас, говорит ученый, мы живем в эпоху, когда литий нужен каждому.

Начало общества, свободного от топлива

В этом году Нобелевскую премию по химии дадут трем ученым: американскому ученому Джону Гуденафу, британцу Стэнли Уиттингему и японцу Акире Ёсино за вклад в разработку литий-ионных аккумуляторов. «Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в нашей жизни  и используются во всем – от мобильных телефонов и ноутбуков до электромобилей. Своей работой лауреаты заложили основу беспроводного общества, свободного от топлива», – говорится на сайте Нобелевской премии.

Как это часто бывает, открытие ученые сделали давно, а «нобелевку» за него присудили гораздо позже. «В заявлении комитета говорится и о том, что такие батареи теперь имеют экологическое значение. Думаю, это одна из причин, почему премию дали именно сейчас: Илон Маск поднял моду на электрические автомобили, и вообще экологическая повестка сейчас по всему миру звучит очень громко», – говорит Олег Фея.

Ученому Джону Гуденафу сейчас 97 лет: это старейший человек, которому дали Нобелевскую премию. По мнению Олега Феи, Гуденафу прекрасно удалось выполнить «программу максимум» из того, что может сделать человек: совершил важное мировое открытие и дожил до момента, когда получил за него Нобелевскую премию.

Сейчас устройства, где есть литий-ионная батарея, есть практически у каждого. Это ноутбуки, планшеты, смартфоны. У кого-то есть и электрокары. Спрос на литий в мире постоянно растет. Нынешние нобелевские лауреаты сделали не просто открытие, а создали целый новый рынок литий-ионных батарей: в прошлом году, по данным Олега Феи, этот рынок оценивался в более чем 37 млрд. долларов. Его стоимость и объемы будут расти и дальше.

«В последнее время несколько больше батарей идет на производство электрокаров. Однако их на самом деле у нас пока достаточно мало. По крайней мере, автомобилей Tesla в Киеве я вижу совсем немного. Электромобили нуждаются в больших батареях: фактически для них нужна целая система из аккумуляторов. В целом такой тип батарей будет нужен обществу еще много лет. Есть стратегия возобновляемой энергии, согласно которой к 2025 году 50% частного транспорта должны составить электромобили», – говорит ученый.

Старое изобретение, которым пользуется весь мир

Сами батареи были придуманы достаточно давно: принципу, который положен в основу всех таких устройств, более двухсот лет. Первой в мире батареей был Вольтов столб (самый ранний предшественник современной электрической батареи, был изобретен итальянским физиком Алессандро Вольта, который обнародовал доклад о нем в 1800 году – ред.). Алессандро Вольта продемонстрировал изобретение даже Наполеону Бонапарту, а тот подарил ему за это титул графа. Его батарея была напряжением в 1 вольт. Первую батарею, в отличие от литий-ионных, нельзя было перезаряжать.

В любой батарее есть два электрода – катод и анод, объясняет Олег Фея. Между ними – раствор электролита. Есть химическая реакция окисления. На катоде – реакция восстановления. В Вольтовом столбе на катоде происходила реакция восстановления водорода. Ученый показал, что там идет электрический ток. Это, собственно, и было его открытием.

Впоследствии, в середине 1800-х, британский ученый Джон Дэниэль изобрел другую батарею. Он взял несколько баночек, положил в одну из них катод, в другую – анод, соединив трубочками. Его целью было отвести водород от катода, ведь он повышал электрическое сопротивление, и батарея плохо работала. Именно эта батарея наконец пошла в промышленность. Затем на его устройствах работал телеграф, что считалось передовым хай-теком 19-го столетия. Позже ученые изобрели батарею, которая держала напряжение до двух вольт. Ее уже можно было перезаряжать, что было важным прорывом. Почти те же батареи сейчас применяют в качестве автомобильных аккумуляторов: прошло уже более 150 лет, а общество все еще использует устройства, основа которых была заложена довольно давно.

Нефтяной кризис, подтолкнувший к открытию

«Что нам вообще нужно для батареи? Катод, анод и электролит – раствор, в котором будут происходить химические реакции и где ионы будут переходить между катодом и анодом. Еще в 19 веке ученые начали думать, что литий был бы хорошим материалом. Почему? Потому литий – это материал, который может легко «отдавать» электроны, которые в нем есть. Литий действительно лучший из металлов, который здесь можно использовать», – объясняет Олег Фея.

Нобелевский лауреат этого года Стэнли Уиттингем начал заниматься батареями в 1973 году. Частично он взялся за такое исследование из-за переломных мировых событий. В 1973-м состоялся 18-дневный вооруженный конфликт, известный как Война Судного дня или IV Арабо-Израильская война – между Израилем с одной стороны и Сирией и Египтом с другой. После этого Саудовская Аравия и ее союзники наложили нефтяное эмбарго на страны, поддерживающие Израиль, отказавшись продавать им нефть.

«Стэнли Уиттингем подумал, что миру нужны независимые от нефти источники энергии, и уже в тот же год изобрел свою батарею. Кстати, тот же нефтяной кризис вдохновил режиссера Джорджа Миллера на создание фильма «Безумный Макс»: он хотел показать мир, в котором топливо становится высшей ценностью и продемонстрировать, как за него идет борьба. Первый фильм вышел в 1979 году, когда литиевых батарей еще не было, но в постапокалиптическом будущем они понадобились. Конечно, с ними лучше, чем без них», – говорит ученый.

Интересно, что Стэнли Уиттингем тогда работал на крупную частную нефтяную корпорацию Exxon Mobil Corporation. Эта компания и сейчас считается одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды. Но, по иронии судьбы, уникальная технология была изобретена именно их ученым.

«С этой батареей были проблемы: они часто вспыхивали, поэтому первые серии их выпуска не ушли далеко. Встал вопрос, как преодолеть проблему и сделать так, чтобы они не загорались. Здесь «арену» вышел Джон Гуденаф. Он придумал лучший катод батареи, и ее удалось сделать еще лучше. А японский ученый Акира Ёсино изобрел анод, который убрал риск возгорания. В 1991 году компания Sony создала первую такую ​​усовершенствованную батарею для коммерческого использования. Она была еще не такой хорошей, с меньшей емкостью, но это был действительно технологический прорыв. Это была схема, к  которой наука шла 200 лет», – вспоминает Олег.

Не так уж и экологично

Запасов лития на планете достаточно много: это миллионы тонн. Украинские запасы лития оцениваются до 5 миллионов тонн, хотя у нас его добывают. Ученый объясняет это рядом нерешенных проблем, в частности, с лицензированием такого вида деятельности. Хотя в Украине и есть компания под названием «Укрлітійвидобування».

Принято считать, что электрокары – экологичный вид транспорта по сравнению с другими авто – бензиновыми, газовыми или дизельными. Конечно, так и есть. Но в получении таких батарей есть определенный нюанс, говорит Олег Фея. Добывают литий в Китае, Чили, Аргентине и других странах.

«Литиевые батареи действительно хороши для использования в сочетании с солнечными батареями, с ветряными мельницами, подходят и для электрокаров. Но в местах, где сам литий добывают, экосистема полностью разрушается. В этом году по всему миру было добыто 85 000 тонн лития. Чтобы добыть одну тонну лития, надо выпарить 2 миллиона тонн воды из соляных озер. На месте добычи остается мертвая соляная пустыня. Те люди, которые защищают окружающую среду в странах добычи лития, не слишком согласились бы с тем, что литиевые батареи так уж и экологические. Но, как это часто бывает, за что-то хорошее мы платим определенную цену », – подводит итог ученый.