Tech - Tudomány
A kémiai Nobel-díjasok által kifejlesztett lítiumion-akkumulátorok forradalmasították az életünket
A lítiumion-akkumulátor kifejlesztéséért egy amerikai, egy brit és egy japán tudós, John Goodenough, Stanley Whittingham és Josino Akira kapja az idei kémiai Nobel-díjat a Svéd Királyi Tudományos Akadémia szerdai stockholmi bejelentése szerint.
A lítiumion-akkumulátorokat számos területen használják
Az 1922. július 25-én született John Goodenough a valaha volt legidősebb Nobel-díjas – közölte Göran Hansson, az akadémia főtitkára.
Az indoklás szerint a könnyű, újratölthető és tartós lítiumion-akkumulátorokat napjainkban a mobiltelefonoktól a laptopokon át az elektromos autókig használják. Világszerte ezekkel működnek a hordozható elektronikai eszközök, amelyeket a kommunikációhoz, a munkához, a tanuláshoz vagy például a zenehallgatáshoz használnak. Jelentős mennyiségű nap- és szélenergiát tudnak elraktározni, lehetővé téve ezzel a fosszilis energiától mentes társadalmat.
A lítiumion-akkumulátor alapjait
az 1970-es évek olajválsága idején fektették le. Stanley Whittingham olyan módszerek fejlesztésén dolgozott, amelyek fosszilis üzemanyag felhasználása nélküli technológiákhoz vezethetnek. Szupravezetőket kezdett vizsgálni, és felfedezett egy rendkívül energiagazdag anyagot, amelyet egy innovatív katód megalkotásához használt egy lítiumakkumulátorban.
Ez titán-diszulfidból készült, amelybe molekuláris szinten lítiumionokat lehet „beszúrni”. Ennek az akkumulátornak az anódja részben fémes lítiumból készült, és bár az akkumulátorban nagy lehetőségek rejlettek, a fémes lítium miatt túlságosan is robbanásveszélyes volt ahhoz, hogy használható legyen.
Az áttörés
John Goodenough úgy vélte, hogy a katódban még nagyobb lehetőségek rejlenek, ha fém-oxidot használnak fém-szulfid helyett. 1980-ban bizonyította, hogy kobalt-oxidba ágyazott lítiumionok akár négyvoltos feszültséget is le tudnak adni. Ez áttörés volt, amely aztán jóval erősebb akkumulátorok kifejlesztéséhez vezetett.
Az amerikai tudós katódját alapul véve Josino Akira 1985-ben megalkotta a kereskedelmi forgalomban használható első lítiumion-akkumulátort. A reaktív lítium helyett petróleum kokszot, egy olyan karbonanyagot használt az anódban, amelybe a katód kobalt-oxidjához hasonlóan lítiumionokat lehet beágyazni.
Az eredmény egy könnyű, tartós akkumulátor lett, amelyet több százszor újra lehet tölteni, mielőtt csökkenni kezd a kapacitása. A lítiumion-akkumulátorok előnye, hogy nem olyan kémiai reakciókon alapulnak, amelyekben elhasználódnak az elektródák, hanem a lítiumionok oda-vissza áramlanak az anód és a katód között. Az ilyen akkumulátoroknak nincs „memóriájuk”, a részleges töltés vagy merítés következtében nem csökken a kapacitásuk, nem kell őket kis töltésen regenerálni. További előnyük például a kadmiumos cellákhoz képest, hogy kevés mérgező anyag van bennük.
Az indoklás
„A lítiumion-akkumulátorok forradalmasították az életünket, amióta 1991-ben piacra kerültek. Lefektették a vezeték nélküli, fosszilis energiától mentes társadalom alapjait és nagy hasznára vannak az emberiségnek” – összegzett indoklásában a Nobel-bizottság.
A kitüntetettek összesen 9 millió svéd koronával (276 millió forintos összeggel) gazdagodnak. A díjátadó ünnepséget hagyományosan december 10-én, az elismerést alapító Alfred Nobel halálának évfordulóján rendezik.
Kik is ők?
A 97 éves John B. Goodenough a németországi Jénában született. A Yale Egyetemen matematikusként végzett, a Chicagói Egyetemen fizikából diplomázott 1952-ben. Kutatott az MIT Lincoln Laboratóriumában, majd az 1970-80-as években az Oxfordi Egyetem Szervetlen Kémia Laboratóriumát vezette, ahol munkatársaival kifejlesztette a lítiumion-akkumulátor katódjának innovatív anyagát. 1986 óta a Texasi Egyetem austini intézményének gépipari és anyagtudományi professzora, csoportjával jelenleg is folytatja kutatásait. 550 tudományos cikk, 85 könyvfejezet és recenzió szerzője, öt könyvet írt.
Az 1941-ben született Stanley Whittingham az Oxfordi Egyetemen szerezte kémiadiplomáját. Posztdoktori tanulmányait a Stanford Egyetemen végezte, majd 1972-84 között az Exxon kőolajipari vállalat kutatócégénél dolgozott, ahol felfedezték a lítiumakkumulátor katódját. Jelenleg az amerikai Binghamton Egyetem professzora. 16 szabadalom fűződik nevéhez, 2010-ben a zöld technológiák terén a világ 40 innovátora közé sorolta a GreentechMedia.
Josino Akira 1948-ban született Szuitában, a Tokiói és az Oszakai Egyetemen diplomázott. 1972-től a Kawasaki cég kutatólaboratóriumában dolgozott, ahol 1983-ben kifejlesztette a lítiumion-akkumulátor újratölthető prototípusát. Jelenleg az Asahi Kasei vállalat kutatója. A jövő technológiáin dolgozik és a nagojai Meidzso Egyetem professzora.
Janáky Csaba: a kémiai Nobel-díj régóta várt elismerés a lítiumion-akkumulátor kifejlesztéséért
A tudományos közösség már 10-15 éve minden évben azt várta, hogy mikor ismerik el John Goodenough, Stanley Whittingham és Josino Akira felfedezését, mert azon túl, hogy tudományosan is nagyon érdekes területet indított el, megváltoztatta a mindennapi életünket is – mondta Janáky Csaba vegyész a stockholmi bejelentést követően az MTI-nek.
A Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének munkatársa felidézte, hogy már a 70-es években elkezdtek vizsgálni olyan típusú elektróda anyagokat, amelyek a későbbiekben a lítiumionos akkumulátorok alapját képezték. Mint mondta, azért volt az új töltéshordozóra igény, mert a hagyományos akkumulátorok nagyon nehezek voltak. Egyre nagyobb érdeklődés övezte azt a kérdést, hogy lehet-e olyan akkumulátort készíteni, amelyben az aktív töltéshordozó komponens a legkönnyebb fém, a lítium.
Az új technológia lényege,
hogy a töltés tárolásáról lítiumionok gondoskodnak, amelyek töltéskor a negatív, szénalapú elektródához, kisütéskor pedig a pozitív fém-oxid-elektródához vándorolnak.
Janáky Csaba megjegyezte, hogy a díjazott kutatók közös háttere a szilárdtestkémia volt, innen jutottak oda, hogy találtak olyan anyagokat, amelyeket elektródaként lehet használni arra, hogy lítiumiont tároljanak.
Janáky Csaba felidézte, hogy konferenciákon találkozott John Goodenough-fal, és a Nobel-díjas kémikus mindig elmondta, hogy igazából nem sejtette, felfedezésük milyen fejlődéshez vezet, csak ígéretes alkalmazásnak tűnt először, nem várhatták, hogy ilyen áttörést fog eredményezni.
A gyakorlati jelentőség
Janáky Csaba az új technológia előnyei közé sorolta, hogy a lítiumból készült akkumulátorok sokkal könnyebbek a nikkel- vagy ólomalapúaknál, emellett tartósabbak is. Nincs memóriaeffektus, vagyis a hagyományos akkumulátorokkal szemben, amelyeket mindig le kellett meríteni és csak utána lehetett feltölteni, itt nincs erre szükség. Az ilyen akkumulátorok önkisülése kis mértékű, ezért sokkal lassabban vesztik el a töltésüket, mint egy ólom- vagy egy nikkel-akkumulátor. Emellett nincs bennük olyan nehézfém sem, amely szennyező a környezetre nézve.
Gyakorlati jelentőségüket az alapozta meg, hogy ezeknek az akkumulátoroknak a cellafeszültsége 3,5-4 Volt, ami sokkal nagyobb mint a hagyományos akkumulátorok esetében.
„Nagyon szerteágazó, hogy az új technológiát hol használják.
Ezek az akkumulátorok tették lehetővé, hogy hordozható elektronikai eszközök álljanak a rendelkezésünkre, akár a pacemakerről, akár a mobiltelefonról, akár a laptopról van szó, de ide tartozik az elektromobilitás is” – sorolta a kutató.
Janáky Csaba szerint ugyanakkor 10-15 évvel ezelőtt még inkább indokolt lett volna ez a Nobel-díj, mivel kicsit már más irányt vettek a kutatások. Ennek oka, hogy a lítium, amelyet főként Dél-Amerikában bányásznak, viszonylag kevés helyen fordul elő a Földön könnyen elérhető formában. Ez a mennyiség kevés ahhoz, amennyire az elektromos autók elterjedése esetén szükség lenne.
„Jelenleg inkább abba az irányba megy a tudomány, hogy milyen egyéb aktív komponenst tudunk találni a lítium helyett. Ezek között vizsgálják a nátriumion elem, a magnéziumion és a kálciumion elemek használhatóságát, de ezek a kutatások még kezdeti stádiumban vannak” – mutatott rá a Lendület-csoportvezető.
(Forrás: MTI)
Szerző
