نوبل برای مخترعان باتری های لیتیوم یون

ایجاد یک دنیای قابل شارژ، برای سه دانشمند مخترع باتری لیتیوم یونی ، جایزه نوبل 2019 در شیمی را به ارمغان آورد.
John B. Goodenough از دانشگاه تگزاس در آستین، M. Stanley Whitingham از دانشگاه بینگامتون در نیویورک و Akira Yoshino از شرکت Asahi Kasei در توکیو و دانشگاه Meijo در ناگویا، ژاپن، به خاطر سهم خود در ساخت باتری لیتیوم یونی برنده جایزه نوبل شدند.

این باتری های قابل شارژ سبک، از همه وسایل الکترونیکی قابل حمل گرفته تا اتومبیل های برقی و دوچرخه ها، انرژی لازم را فراهم می‌کنند و راهی برای ذخیره انرژی از منابع انرژی تجدید پذیر اما گذرا مانند نور خورشید و باد بدست می‌دهند.

اولوف رامستروم، شیمیدان دانشگاه ماساچوست لاول و عضو کمیته شیمی نوبل سال 2019، گفت: “این باتری تأثیر چشمگیری بر جامعه ما گذاشته است. وی گفت: “واضح است كه اكتشافات سه برنده ی این جایزه این امر را ممكن ساخت. این واقعاً به نفع بشریت بوده است. “

این برندگان تازه نوبل شیمی جایزه 9 میلیون کرون سوئدی را تقسیم می کنند (حدود 900000 دلار). John B. Goodenough، در سن 97 سالگی، پیرترین فردی است که تاکنون جایزه نوبل دریافت کرده است.

یانگ شاو هورن، یک شیمیدان و مهندس در MIT می گوید: “جان دانشمند شگفت انگیزی است، با شهود باورنکردنی و شخصیت بزرگی که نسل های دانشمندان و مهندسان را با نگرش مثبت، صداقت و کنجکاوی بی حد و مرز خود الهام بخشیده است.”

لیتیوم یون چیست

باتریها انرژی الکتریکی را به صورت انرژی شیمیایی ذخیره می کنند و سه بخش اصلی دارند: دو الکترود (الکترود آند یا منفی و کاتد، مثبت) و الکترولیت، که به یون ها کمک می کند تا درون باتری حرکت کنند. واکنشهای شیمیایی در یک انتهای باتری، در آند، الکترونهایی را آزاد می کنند که از طریق یک مدار به انتهای دیگر می‌روند و توسط کاتد پذیرفته می‌شوند، جریان را تشکیل می‌دهند که می‌تواند یک چراغ قوه، تلفن همراه یا ماشین را تأمین کند.

آلساندرو ولتا اولین باتری الکتریکی را در سال 1800 اختراع کرد و از آن زمان دانشمندان برای ساختن باتریهای بهتر از آن زمان تلاش می کردند. تلاش برای جستجوی مواد آندی که بتوانند الکترونهای بیشتری را آزاد کنند و برای مواد کاتدی که بتوانند بهتر آنها را جذب کنند.

در دهه 1970 ، ویتینگام شروع به آزمایش لیتیوم به عنوان ماده آندی کرد زیرا بسیار سبک است و به راحتی الکترون ها را آزاد می‌کند و یون های لیتیومرا دارای بار مثبت می کند. در طرح باتری قابل شارژ وی از کاتدی ساخته شده از دی سولفید تیتانیوم استفاده شده است، که شامل بسیاری از لایه هایی است که می تواند یون های لیتیومی را که از آند آزاد شده اند، نگه دارد. ویتینگام هنگام کار با شرکت انرژی Exxon، فلز لیتیوم و تیتانیوم دی سولفید را در یک باتری ترکیب کرد و اولین باتری لیتیوم را ایجاد کرد. باتری او دارای 2 ولت بود.

لیتیوم یون - باتری های لیتیوم یون و جایزه نوبل

اما فلز لیتیوم که از آند اصلی ویتینگام تشکیل شده بود، می‌توانست نقص هایی به نام دندریت ها ایجاد کند.  که می تواند باعث اتصال کوتاه باتری و منفجر شدن آن شود. بنابراین توسعه دهندگان، آلومینیوم را به آند لیتیوم اضافه کردند و ماده الکترولیتی را که بین آند و کاتد جمع شده بود، جدا کردند تا باتری برای استفاده روزمره ایمن تر شود.

سپس، در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980، گودنئوف به جای استفاده از اکسید کبالت، به بهبود کاتد ویتینگام پرداخت. این ماده مانند دی سولفید تیتانیوم لایه لایه بود، اما می توانست یون های بیشتری را نیز در لایه های آن قرار دهد. رامستروم در کنفرانس خبری گفت: نوآوری Goodenough پتانسیل ولتاژ باتری های لیتیوم را به 4 ولت، “یک جهش غول پیکر در باتری”، افزاش می‌دهد. (امروزه بسیاری از تلفن های هوشمند از باتری های لیتیوم با ولتاژ در حدود 4 ولت استفاده می کنند.) اما باتری هنوز از فلز لیتیوم به عنوان آند استفاده می کند.

یون چیست - باتری های لیتیوم یون و جایزه نوبل

در سال 1985، یوشینو از فرآورده های نفتی فرعی بنام نفت کک به عنوان آند استفاده کرد. مانند اکسید کبالت، کک نفتی نیز بسیار لایه بندی شده بود، و گرچه از لیتیوم ساخته نشده بود، می تواند در هنگام شارژ یون های لیتیوم را ذخیره کند. هنگامی که با کاتد Goodenough جفت شد، مواد آند Yoshino منجر به باتری 4 ولت حتی مطمئن تر، با دوام تر، سبک وزن تر و قابل شارژ مجدد شدند. این طرح اولیه در اولین باتری های لیتیوم یون موجود در بازار در سال 1991 مورد استفاده قرار گرفت.

یوشینو در کنفرانس خبری در استکهلم گفت: “کنجکاوی نیروی محرکه اصلی برای من بود”یونی - باتری های لیتیوم یون و جایزه نوبل

کلزی هاتزل ، محقق باتری در دانشگاه وندربیلت در نشویل می گوید: اعلامیه جایزه نوبل “واقعاً هیجان انگیز برای باتری است.” “کارهای استن و آکیرا و جان بسیار مهم هستند. شما نمی توانید تصور کنید زندگی روزانه خود را بدون استفاده از نیمی از دستگاه های مختلف که از باتری های لیتیوم یونی استفاده می کنند، از جمله تلفن، رایانه و سایر دستگاههای ارتباطی.

گودنوگ در یک کنفرانس خبری در لندن در 9 اکتبر گفت: “من بسیار خوشحالم که کار من به توانایی مردم در برقراری ارتباط در سراسر جهان کمک کرده است.” ما باید روابط برقرار کنیم نه دیوارها، و من خوشحالم که مردم از این تکنولوژی استفاده می کنند و این کار برای خیر و نه برای شر است. “

وقتی از او سؤال شد كه آیا او انتظار دارد كه برنده شود و با پول جایزه چه كاری انجام دهد، گودنوگ پاسخ داد: “من چیزی انتظار نداشتم! سهم من از این دستاورد، برای حمایت از افرادی که در دانشگاه کار می‌کنند به آنجا خواهد رفت.

ممکن است Goodenough این افتخار را پیش بینی نکرده باشد، اما محققان دیگر مدت ها است که وی را به عنوان برنده نوبل شیمی می دانند.

باتری لیتیوم یونی اکنون عملکرد بسیار بهتری نسبت به بازارهای موجود در سال 1991 دارند. “در طی دو دهه گذشته یا بیشتر، محققان برای تقویت انرژی [باتری های قابل شارژ] بسیار تلاش کرده اند. انرژی دو برابر شده است – در بعضی موارد حتی سه برابر شده است، و عمر چرخه بسیار بهبود یافته است. “ امروز می توانید هزاران بار این باتری ها را شارژ کنید. باتری لیتیوم یونی نیز ایمن تر و ارزان تر شده اند.

“اختراع باتری لیتیوم یونی” نمونه ای عالی برای بهبود زندگی مردم از طریق شیمی است.

محققان در حال تولید انواع مختلفی از باتری های لیتیوم قابل شارژ مانند لیتیوم-اکسیژن یا لیتیوم-گوگرد  هستند که می‌توانند در بسته بندی سبک انرژی بیشتری را در خود جای دهند .

منابع: