Эксперт Эксперт - Эксперт № 40 (2013)
— Доктор Йосино, как люди оказываются в науке? Как это было в вашем случае?
— Не поверите, но что касается меня, у меня в руках случайно оказалась книга Майкла Фарадея «История свечи». В свое время Фарадей прочитал несколько лекций для детей, в которых рассказывал о различных законах природы, с которыми связано горение свечи — они и вошли в книгу. Там на понятном ребенку языке говорится, почему горит свеча, почему мы видим ее свечение, почему появляются блики разных цветов. Книга эта тогда доставила мне огромное удовольствие, показав, что многие секреты природы можно раскрыть, и уже двенадцатилетним мальчишкой я сам мечтал открывать тайны природы, стал прилежнее заниматься в школе, чтобы потом поступить в университет.
— Но изначально ваша специальность была далека от всего, что связано с электричеством и электротехникой, и по окончании университета ни о каких батарейках вы не помышляли.
— Так и есть. В 1972 году я окончил кафедру органической химии в Университете Киото и поступил в корпорацию Asahi Kasei. Это многоотраслевой холдинг (его годовой оборот — около 20 млрд долларов в год. — « Эксперт» ), здесь разрабатывают, производят и продают различную химическую продукцию. Чем только не занимается компания: строительными и конструкционными материалами, электронными компонентами, химическим и искусственным волокном и нитями, тканями и неткаными материалами, было даже собственное фармацевтическое подразделение. Еще какие-то отделы, вероятно, появлялись или исчезали, уже когда я работал в компании. Важнее, однако, другое: там было одно подразделение, которое ведало только бизнесом, и другое — самостоятельный исследовательский блок Лаборатория Кавасаки, куда я и попал работать. Здесь занимались исследованием материалов и всяких химических процессов, поэтому для меня было совершенно логично, окончив отделение органической химии, в итоге поступить на работу именно в эту лабораторию. Там мне была определена тема, по которой обычно работают несколько только поступивших на должность исследователя выпускников университета. Вот с этого все началось. И затем — опять-таки совершенно обычная практика для этой лаборатории, — если молодые ученые сразу не нашли себя в тех или иных направлениях исследований или они им стали неинтересны, их могут перекинуть на другие темы, они могут попробовать себя в других сферах деятельности. И тема, которая привела к батарейкам, для меня была, кстати, уже четвертой, которой я занимался в этой лаборатории.
— Вы именно о литий- ионных батарейках говорите?
— Я начал заниматься полиацетиленом, который мог бы использоваться в литий-ионных батареях в качестве катодного материала. Было это где-то в 1981 году.
— Почему в истории с литий- ионными батареями этот углеродистый полимер оказывается так важен?
— Полиацетилен представляет собой электрический проводящий полимер, его свойства были изучены профессором Хидэки Сиракавой, который получил за это открытие Нобелевскую премию по химии в 2000 году. Связь здесь такая. Как вы знаете, существуют так называемые первичные — одноразовые — батареи и вторичные, перезаряжаемые, то есть аккумуляторные батареи. Аккумуляторные очевидно удобнее одноразовых. Известны аккумуляторные батареи с водным электролитом — никель-кадмиевые и никель-магниевые батарейки, популярные на рынке еще лет десять-пятнадцать назад и сейчас часто еще применяемые в различных переносных электромеханических устройствах, таких как шуруповерты, где требуется большой ток разряда. Так вот они как раз из таких батарей — с водным электролитом. Но проблема «водных» аккумуляторов заключается в том, что напряжения выше 1,5 вольта они выдать не в состоянии, так как при более высоком напряжении там начинаются электролизные процессы. Это означает, что ни снизить серьезно вес батареи, ни повысить плотность накопленной в ней энергии нельзя. Батареи же с неводными электролитами способны давать напряжение 3 вольта и более, а значит, при той же плотности накопленной энергии могут быть в разы более легкими и в одной ячейке питания хранить столько же энергии, сколько в нескольких водных аккумуляторах, что и требовалось для получающей все большее распространение портативной техники. В начале 1970-х быстро нашли место на рынке первичные элементы, незаряжаемые «батарейки» — легкие и с довольно большой удельной энергией батареи с безводным электролитом и с литиевым анодом, позволившие резко повысить как рабочее напряжение батареи, так и ее удельную энергию. Так появились одноразовые литиевые батареи, известные на рынке и сегодня.
— А разработка аккумуляторов на безводной основе застопорилась?
— Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной техники, то создание безводных литий-ионных аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности — на их преодоление потребовалось более двадцати лет. На создание такой батареи у меня лично ушло в итоге почти пятнадцать лет.
Как я уже говорил, я начал заниматься полиацетиленом, который мог использоваться в таких батареях в качестве катодного материала, примерно в 1981 году. Тогда стало ясно, что этот углеродистый материал оказался весьма удобной матрицей для интеркаляции, вкрапления, ионов лития (при разряде такого аккумулятора происходит деинтеркаляция ионов лития из углеродного материала, а во время зарядки — интеркаляция, ионы как бы заполняют ячейки углеродистого материала. — « Эксперт» ). Но скоро я понял, что, хотя полиацетиленовая ячейка вполне функциональна, ее низкая реальная плотность ограничивает доступный энергетический потенциал батареи, к тому же химическая стабильность материала оказалась ограниченной. Поэтому для применения в качестве отрицательного электрода я изучил пригодность нескольких других углеродистых материалов. И обнаружил, что некоторые из них, с определенной кристаллической структурой нанометровой величины — углеродные волокна, выращенные из паровой фазы моими коллегами Оберлином, Эндо и Коямой за несколько лет до этого, могут обеспечивать большую мощность батареи в целом.
Акира Йосино уверен, что беспроводная передача электроэнергии станет следующим технологическим прорывом
Фото: Александр Крупнов
— Когда вы почувствовали, что находитесь на пороге успеха?
— Приемлемую аккумуляторную батарею я изготовил уже в 1985 году, когда понял, из какого материала нужно делать анодную часть литий-ионной батареи. На этот раз мне помогла в этом работа американского ученого из Техасского университета Джона Гуденофа. Еще в 1980-м он опубликовал в журнале Material Research Bulletin статью, в которой описал свойства LiCoO sub 2 /sub в качестве возможного анодного материала для вторичной батареи. А ученые Ядзами и Тузаин провели первые удачные эксперименты по интеркаляции ионов лития из литированных оксидов кобальта в углеродный материал.
Так появилась сначала идея, а потом и сама новая система неводной вторичной батареи, работающей с помощью переходных металлов литированных оксидов кобальта, содержащих ионы лития, в качестве положительного электрода и углеродистых материалов в качестве отрицательного электрода. По сути это был уже настоящий литий-ионный аккумулятор с безводным электролитом, с существенным по сравнению с водными аккумуляторами улучшением плотности энергии, что позволило значительно снизить размер и вес самого аккумулятора. Кроме того, такие батареи использовали в своей работе не химическое превращение, что означало стабильные характеристики работы самого аккумулятора, сохраняющиеся в течение длительного срока службы, в том числе высокую долговечность цикла с небольшим уровнем деградации накапливаемой энергии. Главное — в этой системе не происходит перемещения самого металлического лития, не происходит никаких химических реакций, а процессы разряда и заряда сводятся лишь к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Это было важно: некоторые работы с безводными литиевыми аккумуляторами приводили к их самовозгоранию в результате замыкания.
