Вже третій рік поспіль напередодні вручення Нобелівської премії в Києві обговорюють досягнення в науці та розповідають про винаходи, які змінили світ. Під час пре-паті Нобелівської премії Nobilitet українські вчені розповіли про те, як розвивається наука сьогодні.

Вчений із Дрезденського інституту твердого тіла та досліджень матеріалів Олег Фея розповів, як літій-іонні батареї, що зараз є в кишені в кожного, змінили наше життя. Одна з тем досліджень науковця – двовимірні кристали: матеріали, які випробовують для вдосконалення літій-іонних акумуляторів та пристроїв, які колись можуть прийти їм на заміну.

Свою лекцію Олег Фея назвав «літієвий вік». Це логічна назва нашої сучасної цивілізації: зараз, каже вчений, ми живемо в епоху, коли літій потрібен кожному.

Початок суспільства, вільного від пального

Цього року Нобелівську премію з хімії дадуть трьом вченим: американському вченому Джону Гуденафу, британцю Стенлі Віттінгему та японцю Акірі Йосіно за вклад у розробку літій-іонних акумуляторів. «Літій-іонні акумулятори зробили революцію в наших життях і використовуються в усьому – від мобільних телефонів і ноутбуків до електромобілів. Своєю роботою цьогорічні лауреати заклали основу бездротового суспільства, вільного від пального», – йдеться на сайті Нобелівської премії.

Як це часто буває, винахід вчені здійснили давно, а «нобелівку» за нього присудили набагато пізніше. «В заяві комітету йдеться і про те, що такі батареї тепер мають екологічне значення. Думаю, це одна із причин, чому премію дали саме зараз: Ілон Маск підняв моду на електричні автомобілі, і взагалі екологічна повістка зараз по всьому світу звучить дуже гучно», – каже Олег Фея.

Вченому Джону Гуденафу зараз 97 років: це найстарша людина, якій дали Нобелівську премію. На думку Олега Феї, Гуденафу прекрасно вдалося виконати «програму максимум» із того, що може зробити людина: здійснив вагоме світове відкриття і дожив до моменту, коли отримав за нього Нобелівську премію.

Зараз пристрої, де є літій-іонна батарея, є практично у кожного. Це ноутбуки, планшети, смартфони. У когось є й електрокари. Попит на літій у світі постійно зростає. Цьогорічні нобелівські лауреати зробили не просто відкриття, а створили цілий новий ринок літій-іонних батарей: минулого року, за даними Олега Феї, цей ринок оцінювався у понад 37 мільярдів доларів. Його вартість та об’єми зростатимуть і далі.

«Останнім часом дещо більше батарей іде на виробництво електрокарів. Проте їх насправді у нас поки досить мало. Принаймні, автомобілів Tesla в Києві я бачу зовсім небагато.  Електромобілі потребують великий батарей: фактично для них потрібна ціла система з акумуляторів. Загалом такий тип батарей буде потрібен суспільству ще багато років. Є стратегія відновлювальної енергії, згідно з якою до 2025 року 50% приватного транспорту мають скласти електромобілі», – каже вчений.

Старий винахід, яким користується весь світ

Самі батареї були придумані досить давно: принципу, який покладений в основу всіх таких пристроїв, більше двохста років. Першою у світі батареєю був Вольтів стовп (найбільш ранній попередник сучасної електричної батареї, був винайдений італійським фізиком Алессандро Вольта, який оприлюднив доповідь про нього у 1800 році – ред.). Алессандро Вольта продемонстрував винахід навіть Наполеону Бонапарту, а той подарував йому за це титул графа. Його батарея була напругою в 1 вольт. Першу батарею, на відміну від літій-іонних, не можна було перезаряджати.

В будь-якій батареї є два електроди – катод і анод, пояснює Олег Фея. Між ними – розчин електроліту. Є хімічна реакція окислення. На катоді – реакція відновлення. У Вольтовому стовпі на катоді відбувалася реакція відновлення водню. Вчений показав, що там іде електричний струм. Це, власне, й було його відкриттям.

Згодом, у середині 1800-х, британський науковець Джон Деніель винайшов іншу батарею. Він взяв кілька баночок, поклав в одну з них катод, в іншу – анод, з’єднавши трубочками. Його ціллю було відвести водень від катоду, адже він підвищував електричний опір, і батарея погано працювала. Саме ця батарея нарешті пішла у промисловість. Потім на його пристроях працював телеграф, що вважалося передовим хай-теком 19-го сторіччя.  Пізніше науковці винайшли батарею, яка тримала напругу до двох вольт. Її вже можна було перезаряджати, що було важливим проривом. Майже ті самі батареї зараз застосовують у якості автомобільних акумуляторів: минуло вже понад 150 років, а суспільство все ще використовуємо пристроями, основу яких було закладено досить давно.

Нафтова криза, що наштовхнула на відкриття

«Що нам загалом потрібно для батареї? Катод, анод і електроліт – розчин, у якому будуть відбуватись хімічні реакції і де іони будуть переходити між катодом і анодом. Ще у 19 столітті вчені почали думати, що літій був би хорошим матеріалом. Чому? Бо літій – це матеріал, який може легко «віддавати» електрони, які у ньому є. Літій справді є кращим із металів, які тут можна використати», – пояснює Олег Фея.

Цьогорічний нобелівський лауреат Стенлі Віттінгем почав займатися батареями у 1973 році. Частково він взявся за таке дослідження через переломні світові події. У 1973 році відбувся 18-денний збройний конфлікт, відомий як Війна Судного дня або IV Арабо-Ізраїльська війна – між Ізраїлем з одного боку та Сирією і Єгиптом з іншого. Після цього Саудівська Аравія та її союзники наклали нафтове ембарго на країни, що підтримують Ізраїль, відмовившись продавати їм нафту.

«Стенлі Віттінгем подумав, що світові потрібні незалежні від нафти джерела енергії, і вже того ж року винайшов свою батарею. До речі, та сама нафтова криза надихнула режисера Джорджа Міллера на створення фільму «Шалений Макс»: він хотів показати світ, в якому паливо стає найвищою цінністю та продемонструвати, як за нього йде боротьба. Перший фільм вийшов у 1979 році, коли літієвих батарей ще не було, але у постапокаліптичному майбутньому вони знадобилися. Звісно, з ними краще, ніж без них», – зауважує науковець.

Цікаво, що Стенлі Вітінгем тоді працював на велику приватну нафтову корпорацію Exxon Mobil Corporation. Цю компанію й зараз вважають одним з найбільших забруднювачів довкілля. Але, за іронією долі, унікальна технологія була винайдена саме їхнім вченим.

«Із цією батареєю були проблеми: вони часто спалахували, тому перші серії їх випуску не пішли далеко. Постало питання, як подолати проблему і зробити так, щоб вони не загорялися. Тут на «арену» вийшов Джон Гудінаф. Він придумав кращий катод для батареї, ї її вдалося зробити ще кращою. А японський вчений Акіра Йосіно винайшов анод, який усунув ризик загоряння. У 1991 році компанія Sony створила першу таку вдосконалену батарею для комерційного використання. Вона була ще не такою хорошою, менша за ємністю, але це був дійсно технологічний прорив. Це була схема, до якої наука йшла 200 років», – згадує Олег.

Не так вже й екологічно

Запасів літію на планеті досить багато: це  мільйони тон. Українські запаси літію оцінюють у близько 5 мільйонів тон, хоча у нас його не видобувають. Науковець пояснює це низкою невирішених проблем, зокрема, із ліцензуванням такого виду діяльності. Хоча в Україні є компанія під назвою «Укрлітійвидобування».

Прийнято вважати, що електрокари – екологічний вид транспорту у порівнянні з іншими авто – бензиновими, газовими чи дизельними. Звісно, так і є. Але у отриманні таких батарей є певний нюанс, каже Олег Фея. Видобувають літій в Китаї, Чилі, Аргентині та деяких інших країнах.

«Літієві батареї дійсно хороші для використання у поєднанні з сонячними батареями,  з вітряками, підходять і для електрокарів. Але у місцях, де сам літій видобувають, екосистема повністю руйнується. Цього року по всьому світу видобули 85 тисяч тон літію. Щоб видобути одну тону літію, треба випарувати 2 мільйони тон води із соляних озер. На місці видобутку залишається мертва соляна пустеля. Ті люди, які захищають навколишнє середовище в країнах видобутку літію, не дуже погодились би із тим, що літієві батареї такі вже й екологічні. Але, як це часто буває, за щось хороше ми платимо певну ціну»,  – підсумовує науковець.