Tudi Nobelova nagrada za kemijo 2019 je pripadla trojici znanstvenikov. Dobili so jo za razvoj litij-ionske baterije, ki je v zadnjih treh desetletjih omogočila mobilnost z neslutenim vplivom na življenje.
Z njo se bosta ovenčala ameriška profesorja John B. Goodenough, ki je s 97 leti najstarejši nobelovec, in M. Stanley Whittingham ter japonski znanstvenik Akira Jošino.
Ta polnilna baterija, ki je vstopila v naše življenje leta 1991, je v pičlih treh desetletjih postavila temelje brezžične elektronike in z mobilnimi telefoni in prenosniki v mnogočem spremenila naše življenje. In ne le to. Kot je v obrazložitvi odločitve o letošnjih dobitnikih Nobelove nagrade za kemijo zapisal Nobelov odbor, ta baterija omogoča tudi svet brez fosilnih goriv, saj se uporablja za vse, od napajanja električnih avtomobilov do shranjevanja energije iz obnovljivih virov.
Izjemno težka pot do izjemno lahke baterije
Danes so litij ionske baterije nekaj povsem običajnega. A pot do njih je bila dolgo skrita in težka, vodila je skozi labirint številnih snovi in še številnejših lastnosti teh snovi. Prebijala se je skozi ovire dosegljivosti in obvladovanja eksplozivnosti snovi, ki je največ obetala. Znanstvenike, ki so se podali na to pot, je tja napotila energijska kriza v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, ki je izpostavila našo veliko odvisnost od fosilnih goriv.
Njihova pot se je kmalu strnila okoli enega samega elementa, starodavnega litija, ki je nastal v prvih minutah po rojstvu vesolja v velikem poku. Zanj dolgo sploh nismo vedeli, da obstaja. Šele leta 1817 sta ga v vzorcu minerala iz rudnika Utö v Stockholmskem arhipelagu odkrila švedska kemika Johan August Asfwedon in Jöns Jacob Berzelius.
Berzelius je novi element imenoval po grški besedi za kamen, litos. Kljub imenu po težkemu materialu, kamnu, je litij najlažji trden element – prav zato danes teže mobilnih telefonov, ki jih nosimo v torbicah in žepih in je njihovo gonilo litij-ionska baterija, skorajda ne občutimo.
Resnici na ljubo moramo dodati, da omenjena švedska kemika pred dvesto leti nista našla čisti kovinski litij, pač pa litijeve ione v obliki soli. Litij v čisti obliki je namreč zelo nevaren, saj na zraku zelo hitro eksplodira, kar so kar nekajkrat doživeli v laboratorijih, kjer so razvijali današnjo litij-ionsko baterijo. Zaradi njegove velike reaktivnosti ga je treba imeti ujetega v olju. Ta njegova slabost – velika reaktivnost – pa je hkrati tudi njegova moč.
V zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, ki se jih današnji upokojenci spominjajo po veliki naftni krizi in redukcijah v ogrevanju in vožnjah z avtomobili, je letošnji nobelovec Stanley Whittingham uporabil izjemno gonilno moč litija, da je iz njega pognal elektrone, ko je razvil prvo funkcionalno litijevo baterijo. Drugi nobelovec John Goodenough je nato leta 1980 podvojil moč te baterije in s tem odprl pot do izjemno močne in uporabne baterije. In pet let za tem, leta 1985, je tretji letošnji nobelovec za kemijo Akira Jošino nadomestil nevarni čisti litij v bateriji z varnejšimi litijevimi ioni. Ta njegov uspeh je omogočil praktično in varno uporabo te baterije, ta uporaba pa je omogočila razvoj prenosnih računalnikov, mobilnih telefonov, vozil na elektriko in akumulatorje energije iz sonca in vetra. Skratka, omogočila je mobilni svet, kot ga poznamo in v njem živimo danes.
Zgodba se je začela z naftno krizo
Sredi prejšnjega stoletja se je zaradi dosegljivosti in nizke cene nafte in sploh zagona po koncu druge svetovne vojne izredno povečalo število avtomobilov in drugih vozil na bencin. Kmalu zatem so se velemesta zaradi tega bolj ali manj zavila v smog izpušnih plinov. Onesnažen zrak in ranljivost zaradi odvisnosti od nafte, ki se je pokazala ob prvi naftni krizi v sedemdesetih letih 20. stoletja, sta sprožila alarm.
Ljudje so spoznali, da nafta ne bo vedno na razpolago in da je nujno poiskati alternativne, obnovljive vire energije, ki obenem tudi ne bodo povzročali problemov v okolju.
Leta 1991 je večje japonsko elektronsko podjetje začelo prodajati prve litij-ionske baterije, kar je povzročilo revolucijo v elektroniki. Mobilni telefoni so se zmanjšali, računalniki so postali prenosni in razvili so MP3 predvajalnike in tablice.
Tako naftna industrija kot tudi industrija vozil sta se lotili iskanja in razvijanja alternativnih virov in vozil na elektriko. Toda oboje je zahtevalo zadosti zmogljive baterije, ki bi lahko shranjevale veliko energije. Takrat sta na trgu obstajala le dva tipa polnilnih baterij: težka svinčena baterija, ki so jo izumili že leta 1859 (in se še vedno uporablja kot zaganjalna baterija v bencinskih avtomobilih) in nikelj-kadmijeva baterija, ki so jo razvili v prvi polovici 20. stoletja.
Zaradi bojazni, da nafte ne bo dovolj, se je naftni velikan Exxon odločil za usmeritev tudi v alternativne vire. Za temeljne raziskave so namenili ogromno denarja in zaposlili nekaj vodilnih znanstvenikov na področju energetike in jim pustil proste roke v raziskovanju alternativnih virov energije. Med njimi je bil tudi letošnji nobelovec za kemijo Stanley Whittingham, ki je v Exxonove laboratorije prišel z univerze Stanford, kjer je raziskoval trdne materiale z medprostori v velikosti atomov, v katere se je dalo pripeti nabite ione.
Ta pojav so imenovali interkalacija. Značilno je, da se lastnosti materialov spremenijo, ko se ioni ujamejo vanje. V Exxonovih laboratorijih je Stanley Whittingham s sodelavci začeli preiskovati superprevodne materiale, vključno s tantal-disulfidom, ki lahko interkalira (pripenja) ione. Dodali so ione tantalnemu disulfidu in preučili, kako to vpliva na njegovo prevodnost.
Odkritje energijsko izjemno gostega materiala
Kot se pogosto zgodi, je ta eksperiment Whittinghama pripeljal do nepričakovanega in dragocenega odkritja. Izkazalo se je, da kalijevi ioni vplivajo na prevodnost tantalnega disulfida, in ko je Stanley Whittingham začel podrobno preučevati material, je opazil, da ima zelo visoko energijsko gostoto.
Interakcije, ki so nastale med kalijevim ionom in tantalovim disulfidom, so bile presenetljivo energijsko bogate. Ko je Whittingham meril napetost materiala, je nameril nekaj voltov. To je bilo boljše od mnogih baterij tistega časa. Brez oklevanja se je odločil za spremembo v raziskovanju in se lotil razvoja nove tehnologije, ki bi omogočila skladiščenje energije za električna vozila prihodnosti.
Največja prednost litij-ionske baterije je, da so ioni v elektrodah vmešani. Ko se litij-ionska baterija napolni ali uporablja, ioni tečejo med elektrodama, ne da bi reagirali z okolico. To pomeni, da ima baterija dolgo življenjsko dobo.
Vendar je tantal eden težjih elementov, trg pa si ni želel novih težjih baterij – zato je tantal nadomestil s titanom, elementom, ki ima podobne lastnosti, vendar je veliko lažji, za negativno elektrodo pa je izbral litij. Litija ni izbral po naključju. V bateriji naj bi elektroni prehajali od negativne elektrode – anode – do pozitivne – katode. Zato bi morala anoda vsebovati material, ki se zlahka odpove elektronom, iz litija pa se elektroni najlažje sproščajo. Tako je nastala polnilna litijeva baterija, ki je delovala pri sobni temperaturi in dobesedno imela velik potencial.
Stanley Whittingham je odpotoval na sedež Exxona v New Yorku, da bi govoril o projektu. Sestanek je trajal približno petnajst minut, vodstvena skupina pa se je nato hitro odločila: na podlagi Whittinghamovega odkritja bodo razvili komercialno baterijo.
Kljub hitri odločitvi pa pot do realizacije ni bila kratka in brez ovir. Glavna ovira se je kmalu pokazala – v eksplozivnosti materiala, ko so eksperimenti povzročili kar nekaj požarov, ki so jih gasilci lahko ukrotili le posebnimi kemikalijami. Problema požarov so se znebili, ko so kovinskim litijevim elektrodam dodali aluminij in spremenili vmesni elektrolit med elektrodo in anodo. Uspešno rešitev je Whitingham oznanil leta 1976. Po njegovem izumu je najprej posegel švicarski proizvajalec ur, ki je novo baterijo dodal svojim sončnim uram.
Naslednji izziv je bil narediti to baterijo dovolj veliko, da bi lahko poganjala avto. Toda medtem so se cene nafte bistveno znižale in Exxona avtomobili na elektriko niso več zanimali. Razvojno delo so ukinili, Whittinghamovo baterijo pa so licencirali pri treh podjetjih na treh različnih koncih sveta.
Vendar pa to ni pomenilo konec razvoja novih baterij. Tam, kjer je Exxon opustil razvoj, ga je nadaljeval drugi Nobelov nagrajenec, John Goodenough.
Tudi v Johnu Goodenoughu je naftna kriza sprožila vprašanja, kako najti izhod iz nje. Bi nove baterije omogočile uporabo alternativnih virov energije? Goodenough je bil takrat zaposlen v Lincolnovih laboratorijih, ki jih je financirala ameriška vojska, in zato ni imel svobodne izbire, kaj raziskovati.
Ko so mu z univerze Oxford ponudili mesto profesorja anorganske kemije, ga je zato z veseljem sprejel in se preselil v Veliko Britanijo. Tam se je lotil novih raziskav, kako še izboljšati Whittinghamovo baterijo. Slutil je, da bi lahko katodo v teh baterijah še bistveno izboljšali, če bi namesto kovinskega sulfida uporabili kovinski oksid. Skupini svojih sodelavcev je naročil, naj raziskujejo, kateri kovinski oksid bi omogočil visoko napetost, ko bi bil v interkalaciji z litijevimi ioni in ne bi propadel, ko bi odstranili ione.
Sistematično iskanje primernega oksida je ponudilo celo boljšo rešitev, kot je Goodenough upal. Z uporabo litij-kobaltovega oksida v katodi je bila nova baterija kar dvakrat bolj zmogljiva od Whittinghamove. K temu je pripomoglo tudi Goodenoughovo spoznanje, da baterij ni treba proizvajati v nabitem stanju, kot so do tedaj delali, ampak jih lahko napolnijo po izdelavi. Leta 1980 je objavil odkritje tega novega, energijsko gostega materiala za katodo, ki je kljub majhni teži omogočila močne, zelo zmogljive baterije. Tako je bil narejen odločilen korak k brezžični revoluciji.
Japonci so za svojo elektroniko potrebovali lahke baterije
Pričakovali bi, da bodo vsi navdušeno posegli po teh novih spoznanjih. Vendar pa je na Zahodu hkrati s padanjem cen nafte upadalo tudi zanimanje za tehnologije, ki bi uporabljale alternativne vire energije, in s tem je usahnilo tudi zanimanje za razvoj avtomobilov na elektriko.
Vendar pa je bila zadeva drugačna na Japonskem. Tam so podjetja za elektroniko intenzivno iskala lahke polnilne baterije, ki bi poganjale njihovo inovativno elektroniko, od video kamer, brezžičnih telefonov do računalnikov. Tretji letošnji nobelovec za kemijo Akira Jošino, ki je tedaj delal v Asahi Kasei Corporation, je zaslutil to potrebo in se lotil raziskav v to smer. V kratkem telefonskem intervjuju ob objavi imen letošnjih Nobelovih nagrajencev za kemijo je omenil: »Zavohal sem, v katero smer so se premikali trendi. Lahko bi rekel, da sem imel dober nos,« se je pošalil.
Prva komercialna litij-ionska baterija
Ko se je Akira Jošino odločil, da bo razvil funkcionalno polnilno baterijo, je že imel Goodenoughovo, ki je imela katodo iz litij-kobaltovega oksida. Za anodo je preizkušal razne materiale na podlagi ogljika. Raziskovalci so že pred tem ugotovili, da se litijeve ione v molekularnih plasteh lahko vmeša v grafit, vendar je elektrolit baterije ta grafit razgradil.
Odločilen trenutek v delu Akire Jošina pa je nastopil, ko je namesto grafita uporabil naftni koks, stranski proizvod naftne industrije. Ko je naftni koks napolnil z elektroni, je to privlačilo litijeve ione. In ko je vklopil baterijo, je nastal tok elektronov in litijevih ionov h kobaltnemu oksidu v katodi, ki je imela veliko večji potencial.
Baterija, ki jo je tako razvil Akira Jošina, je stabilna, lahka, odlikuje se z veliko kapaciteto in proizvaja izjemne štiri volte. Največja prednost litij-ionske baterije je, da so ioni v elektrodah vmešani. Večina drugih baterij temelji na kemičnih reakcijah, pri katerih se elektrode počasi, a zanesljivo spreminjajo. Ko pa se litij-ionska baterija napolni ali uporablja, ioni tečejo med elektrodama, ne da bi reagirali z okolico. To pomeni, da ima baterija dolgo življenjsko dobo in jo je mogoče napolniti več stokrat, preden se njena zmogljivost poslabša.
Druga velika prednost je, da baterija nima čistega litija. Leta 1986, ko je Akira Jošino testiral varnost baterije, je previdno uporabil objekt, namenjen testiranju eksplozivnih naprav. Na baterijo je spustil velik kos železa, a se ni zgodilo nič. Toda ob ponovitvi poskusa z baterijo, ki je vsebovala čisti litij, je prišlo do silovite eksplozije. Opravljanje varnostnih preizkušenj je bilo ključno za prihodnost baterije. Akira Jošino pravi, da je bil to »trenutek, ko se je rodila litij-ionska baterija«.
Baterija je odprla pot v brezogljično družbo
Leta 1991 je večje japonsko elektronsko podjetje začelo prodajati prve litij-ionske baterije, kar je povzročilo revolucijo v elektroniki. Mobilni telefoni so se zmanjšali, računalniki so postali prenosni in razvili so MP3-predvajalnike in tablice.
Raziskovalci po vsem svetu so začeli raziskovati, ali je še kakšen element v periodični tabeli, ki bi omogočil razvoj še boljše baterije. Vendar do zdaj še nihče ni našel boljšega materiala ali razvil boljšo in zmogljivejšo baterijo. Jim je pa uspelo še izboljšati litij-ionsko baterijo.
Med drugim je John Goodenough zamenjal kobaltni oksid z železovim sulfatom, zato je baterija za okolje manj nevarna. Kot proizvodnja vsega ima tudi proizvodnja litij-ionskih baterij vpliv na okolje. Vendar pa ima za okolje tudi izjemno velike prednosti.
Omogočila je razvoj tehnologij čistejše energije in razvoj električnih vozil in s tem prispeva k zmanjšanju izpustov toplogrednih plinov in trdnih delcev v ozračje. S svojim raziskovalnim delom so tako John Goodenough, Stalney Whittingham in Akira Jošino ustvarili prave razmere za brezžično in brezogljično družbo, kar bo v velik prid vsemu človeštvu, je Nobelov odbor poudaril v obrazložitvi letošnje Nobelove nagrade za kemijo.
Članek je bil objavljen v reviji Gea (november 2019)
