Батарея Нобеля: как Джон Гуденаф создал новые отрасли в химии и экономике
От Нобелевских премий ждут совершенства — награждаемые открытия должны быть фундаментальными, понятными обычным людям, а еще достаточно прикладными, чтоб изменить мир. Такую планку удается взять не всегда. Например, последних лауреатов по физике Дидье Кело и Мишеля Майора, впервые в истории пронаблюдавших планету вне Солнечной системы у подобной Солнцу звезды, тут же обвинили в том, что они не физики, а технари — просто разработали метод, с помощью которого смогли увидеть предсказанное другими.
Но при награждении физика Джона Гуденафа, отца химии твердого тела и индустрии литий-ионных аккумуляторов, все эти условия соблюсти удалось.
«Премия этого года посвящена перезаряжаемому миру», — сказал генеральный секретарь Королевской шведской академии наук Горан Хансон перед оглашением фамилий лауреатов, и всем, кто следит за нобелевскими предсказаниями, уже была ясна фамилия главного лауреата.
Гуденаф — самый титулованный из трех лауреатов, в Англии даже есть премия его имени. Американец, родившийся в 1922 году, Гуденаф получил степень бакалавра по математике в Йеле, затем отслужил в армии во Вторую мировую войну. Кандидатскую диссертацию он защитил в Чикаго как физик, затем работал в MIT. Первую профессорскую позицию занял в Оксфорде, где стал заведующим лабораторией неорганической химии. Там он и сделал работу, принесшую ему Нобелевскую премию: в 1980 году предложил использовать кобальтат лития как материал для катода в батарейках. С 1986 года и по сей день он работает в Университете Техаса в Остине в школе инженерии — его группа продолжает разработку новых материалов для батареек и ведет массу других работ. Математик и физик по образованию, он принес в химию и науки о материалах физические подходы и доказательную базу, ему также принадлежит формулировка фундаментальных законов в сфере магнитных материалов. Теперь, в 97 лет (став старейшим из когда-либо награжденных лауреатов), он наконец оказался достаточно хорош (Good-enough) для Нобелевской премии.
Аккумуляторная революция
У обычного человека сегодня в сумке могут быть сразу несколько литий-ионных аккумуляторов — в смартфоне, планшете, ноутбуке. Литий-ионные аккумуляторы в транспорте — скутеры, электросамокаты, электромоторы и аккумуляторы на лодках, электробусы и электромобили.
Чтобы все это стало возможным, нужно было разработать аккумуляторы, обладающие сразу несколькими характеристиками — высокой энергоэффективностью, способностью работать при высоких скоростях заряда-разряда, возможностью многократно заряжаться и разряжаться. «Три исследователя — Гуденаф, Уиттингем и Ёсино сыграли решающую роль в появлении этой индустрии», — говорит член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ Евгений Антипов.
Лауреаты работали совершенно автономно. Стэнли Уиттингем — британский американец — по образованию химик, еще в 1970-е он предложил идею слоистых электродов, которые могут «впитывать», а потом отдавать атомы и молекулы (в химии это называется «интеркаляция»). Однако предложенные им электроды не обеспечивали достаточной емкости и не подошли для промышленности. Нужный катод смог сделать Джон Гуденаф, а Акира Ёсино в Японии собрал полную систему, добавив к литий-кобальтовому катоду графитовый анод. В 1987 году был получен патент, а в 1991 году Sony первой начала выпуск батареек. Ожидается, что рынок литий-ионных батарей вырастет до $100 млрд к 2025 году (с $30 млрд в 2017 году), из которых около половины пойдет на аккумуляторы для электромобилей.
Экология против экологии
Литий, на котором основана эта индустрия, не всегда добывается так мирно, как хотелось бы. В основном он содержится в солончаках или соленых озерах. «Нужно организовать большие бассейны, пригнать технику, то есть экосистему нарушить», — говорит эколог из Красноярского научного центра СО РАН Егор Задереев. Например, в Аргентине и Боливии идут настоящие столкновения между экоактивистами и добывающими компаниями. Дело в том, что там живет вид фламинго, встречающийся только в этой области. И там же находят строматолиты — редкие биокостные отложения, оставшиеся от древнейших форм жизни на Земле. Интересы индустрии столкнулись с планами создания национального парка.
А вот в другом крупном центре добычи лития — Китае с подобными проблемами не сталкиваются. Добыча там идет в соляной пустыне, где нет ценных природных объектов, да и голос экологов в стране не так слышен. В итоге можно полностью адаптировать ландшафт под нужды производства.
Но со всеми своими издержками литиевая экономика сегодня стала неотъемлемой частью повестки устойчивого развития, которое связывают с построением низкоуглеродной экономики. Для решения этой задачи нужно двигаться в трех главных направлениях: расширение использования новых источников энергии, таких как Солнце и ветер, решение проблемы долгосрочного хранения энергии и разумное энергопотребление.
Как раз для хранения энергии литий-ионные батареи, чья емкость постоянно растет, особенно важны. «В перспективе, в сочетании с дешевой солнечной энергетикой и светодиодным освещением, они позволят обеспечить стабильный и недорогой доступ к электричеству для сотен миллионов жителей развивающихся стран», — считает исследователь науки и инноваций из Кембриджского университета Сергей Колесников.
Разрушение барьеров
«Джон Гуденаф — один из тех людей, кто много лет назад осознал и показал перспективность междисциплинарных исследований, а сейчас междисциплинарны почти все работы на переднем крае науки», — рассказывает о своем коллеге Евгений Антипов.
Лучшая иллюстрация междисциплинарного лица современной науки — сама Нобелевская премия. Физики и инженеры получают премии по химии, биологическая химия попадает то в физиологию и медицину, то в химию. В физике премии получают работы, значение которых показало их применение в химии и медицине. Наука больше не мыслит категориями школьных предметов, — разрушение этих барьеров стало одним из инструментов прогресса последних десятилетий. Это произошло благодаря таким людям, как Гуденаф.
