Τετάρτη, 9 Οκτωβρίου 2019

Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2019 στους δημιουργούς των μπαταριών ιόντων λιθίου. Nobel prize in chemistry awarded for work on lithium-ion batteries

Το Νόμπελ Χημείας 2019 κέρδισαν οι Τζον Γκούντιναφ, Στάνλει Γουίτινγχαμ και Ακίρα Γιοσίνο για τις μπαταρίες λιθίου. The 2019 Nobel Prize in Chemistry laureates (from left to right): Akira Yoshino, John B. Goodenough, and M. Stanley Whittingham.

Το Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2019 μοιράζονται ο φυσικός John B. Goodenough (97 ετών, είναι πλέον ο μεγαλύτερος σε ηλικία στην ιστορία που κερδίζει το βραβείο), και οι χημικοί M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino «για τη ανάπτυξη των μπαταριών ιόντων λιθίου».

Σύμφωνα με την ανακοίνωση της Ακαδημίας, το φετινό Νόμπελ «επιβραβεύει την ανάπτυξη της μπαταρίας ιόντων λιθίου. Αυτή η ελαφριά, επαναφορτιζόμενη και ισχυρή μπαταρία χρησιμοποιείται πλέον στα πάντα: Από τα κινητά τηλέφωνα και τα laptop μέχρι τα ηλεκτρικά οχήματα. Μπορεί, επίσης, να αποθηκεύσει σημαντικές ποσότητες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, καθιστώντας εφικτή μια κοινωνία χωρίς ορυκτά καύσιμα.»

Ποιοι είναι οι τρεις φετινοί νικητές

John B Goodenough, M Stanley Whittingham and Akira Yoshino are the Nobel laureates in chemistry for 2019. Photograph: Niklas Elmehed/Royal Swedish Academy of Sciences

Ο Stanley Whittingham στην δεκαετία του 1970 ενώ άρχισε να ερευνά τους υπεραγωγούς, ανακάλυψε ένα εξαιρετικά πλούσιο-ενεργειακά υλικό, που το χρησιμοποίησε για την δημιουργία μιας νέας καθόδου σε μια μπαταρία λιθίου. Χρησιμοποίησε διθειούχο τιτάνιο και μέταλλο λιθίου ως ηλεκτρόδια. Όμως, αυτή η επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου δεν μπόρεσε ποτέ να γίνει πρακτική. Το διθειούχο τιτάνιο ήταν φτωχή επιλογή, επειδή θα πρέπει να συντεθεί κάτω από πλήρως στεγανοποιημένες συνθήκες και αυτό ήταν πολύ δαπανηρό. Όταν εκτίθεται στον αέρα, το διθειούχο τιτάνιο αντιδρά για να σχηματίσει ενώσεις του υδροθείου, που έχουν δυσάρεστη οσμή. Γι΄αυτό, καθώς και για άλλους λόγους σταμάτησε η ανάπτυξη της μπαταρίας διθειούχου τιτανίου-λιθίου του Whittingham. Οι μπαταρίες με ηλεκτρόδια μεταλλικού λιθίου παρουσίασαν προβλήματα ασφαλείας, επειδή το λίθιο είναι πολύ δραστικό χημικό στοιχείο, καίγεται σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες λόγω της παρουσίας νερού και οξυγόνου. Ως αποτέλεσμα, η έρευνα μετακινήθηκε στην ανάπτυξη μπαταριών όπου, αντί για μεταλλικό λίθιο, υπάρχουν μόνο ενώσεις του λιθίου, που μπορούν να δέχονται και να ελευθερώνουν ιόντα λιθίου.

Ο John Bannister Goodenough προέβλεψε ότι η κάθοδος θα είχε ακόμη μεγαλύτερες δυνατότητες αν χρησιμοποιούνταν ένα οξείδιο μετάλλου, αντί για θειούχο μέταλλο. Μετά από συστηματική έρευνα του 1980 κατέδειξε ότι το οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου με παρεμβαλλόμενα ιόντα μπορεί να παράγει μέχρι και τέσσερα Volt. Αυτό ήταν ένα σημαντικό επίτευγμα και οδήγησε σε πολύ πιο ισχυρές μπαταρίες.

Με βάση την κάθοδο του Goodenough, o Akira Yoshino δημιούργησε το 1986 την πρώτη βιώσιμη εμπορικά μπαταρία ιόντων λιθίου. Αντί να χρησιμοποιούν το δραστικό λίθιο στην άνοδο, χρησιμοποίησαν πετρελαϊκό κοκ, ένα υλικό άνθρακα, που, όπως οξείδιο του κοβαλτίου στην κάθοδο, μπορεί να παρεμβάλλει ιόντα λιθίου. Το αποτέλεσμα ήταν μια ελαφριά και ανθεκτική μπαταρία που θα μπορούσε να φορτιστεί εκατοντάδες φορές. Το πλεονέκτημα των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι πως δεν βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια, αλλά στην ροή των ιόντων λιθίου μεταξύ ανόδου και καθόδου. Οι μπαταρίες λιθίου άλλαξαν την ζωή μας μπαίνοντας στην αγορά το 1991.