"ქიმიის უწყებანი" ტომი:3, ნომერი:3, 37-38 გვ.
„ტექნოლოგიური წინსვლა, რომლის გარეშეც დღევანდელი ცხოვრება წარმოუდგენელია“
ტარტუს უნივერსიტეტი
რეზიუმე: ბევრმა შესაძლოა თქვას რომ ქიმიაში ახალი არაფერი ხდება და ამიტომაც იღებს პრემიას 30-40 წლის ნაშრომი. ბევრი იტყვის რომ ამ სამი მეცნიერის ნამუშევარი არ არის ღირსი ასეთი ჯილდოსი და მსოფლიოში ბევრად უფრო კომპლექსური და საინტერესო კვლევები ტარდება ქიმიაში. მიუხედავად ამისა, ფაქტია ლითიუმ იონური ბატარეები გვაძლევს შესაძლებლობას გავაკეთოთ ის, რის საშუალებასაც არ გვაძლევდა ძველი ტექნოლოგია და შეიძლება ითქვას მათ გარეშე ჩვენი ყოველდღიური ცხოვრება წარმოუდგენელია.
საკვანძო სიტყვები: ნობელის პრემია, 2019 წელი, ლითიუმიონური ბატარეა
ბევრმა შესაძლოა თქვას რომ ქიმიაში ახალი არაფერი ხდება და ამიტომაც იღებს პრემიას 30-40 წლის ნაშრომი. ბევრი იტყვის რომ ამ სამი მეცნიერის ნამუშევარი არ არის ღირსი ასეთი ჯილდოსი და მსოფლიოში ბევრად უფრო კომპლექსური და საინტერესო კვლევები ტარდება ქიმიაში. მიუხედავად ამისა, ფაქტია ლითიუმ იონური ბატარეები გვაძლევს შესაძლებლობას გავაკეთოთ ის, რის საშუალებასაც არ გვაძლევდა ძველი ტექნოლოგია და შეიძლება ითქვას მათ გარეშე ჩვენი ყოველდღიური ცხოვრება წარმოუდგენელია.
ბატარეების წარმოება და მათი მუშაობის პრინციპი მე-19 საუკუნეში კარგად დამუშავდა და დღესაც ერთერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებულია ე.წ. ტუტე ელემენტები (Alkali batteries) . ასეთ ელემენტებს ბევრი მინუსი გააჩნიათ, როგორიცაა საკმაოდ დიდი შიგა წინაღობა, დაბალი ენერგოტევადობა და მათი ერთჯერადობა. ამასთან მეცნიერებისთვის მთავარი მოტივატორის როლი ითამაშა ე.წ. მწვანე ენერგიისკენ სვლამ. როდესაც მზის ბატარეები დღის განმავლობაში გვაძლევს უფასო და „მწვანე“ ელექტროობას, იმისთვის რომ ღამეც გვქონდეს წვდომა საჭიროა დღისით მიღებული ენერგიის დაგროვება და შენახვა.
ყველაფერი დაიწყო ლითიუმით. როგორც იცით ლითიუმი არის მესამე ელემენტი, ყველაზე მსუბუქი და ამასთან ყველაზე რეაქტიული მეტალი. რეაქტიულობა ამ კონტექსტში ნიშნავს იმას, რომ მას გააჩნია ყველაზე დიდი აღმდგენი პოტენციალია შესაბამისად მასზე დაფუძნებულ ელემენტს ექნება მაღალი ელექტრო-პოტენციალი.
პირველი წინსვლა ლითიუმის ბატარეებში მოხდა 70-იან წლებში როდესაც მეცნიერებათა დოქტორმა, სტენლი ვიტინგემმა, ელემენტის კათოდად გამოიყენა ახალი ნაერთი, ტიტანის დისულფიდი(TiS2). სქემატურად ეს ელემენტი გამოიყურებოდა შემდეგნაირად:
როგორც ხედავთ კათოდად გამოყენებულია ტიტანის დისულფიდის ფენები რომლის შორისაც მოთავსებულია ლითიუმის იონები. შუაში არის ელექტროლიტი (რაიმე მარილი) ხოლო ანოდად გამოყენებულია მეტალური ლითიუმი. ეს ელემენტი დიდი გარღვევა იყო რადგან მისი ენერგოტევადობა მრავალჯერ აღემატებოდა სხვა ტიპის ბატარეებს. მიუხედავად ამისა ასეთი დიზაინი მაინც საშიშად ითვლება რადგან გამოყენებულია მეტალური ლითიუმი, რომელიც როგორც ვიცით ძალიან რეაქტიულია და პატარა გაჟონვამაც კი შესაძლოა გამოიწვიოს მისი აალება.
პირველ პროტოტიპს ბევრი მინუსი ჰქონდა და მეცნიერები ცდილობდნენ მეტალური ლითიუმის ალტერნატივა ეპოვათ. თავისთავად შესაძლებელია უბრალოდ სხვა მეტალის გამოყენება მაგრამ ეს საგრძნობლად შეამცირებდა ელექტრო პოტენციალს და ტევადობას. 80_იან წლებში ჯონ გუდინაფმა აღმოაჩინა რომ ტიტანის დისულფიდის ნაცვლად თუ გამოიყენებდა კობალტის ოქსიდს(CoO2), მის მიმართ ლითიუმს ბევრად დიდი პოტენციალი ექნებოდა და ასეთი ფენები უფრო კარგად ატარებდა იონებს(დადებითად დამუხტულ ნაწილაკებს). ასეთი ელემენტის შექმნისას პოტენციალი კათოდსა და ანოდს შორის გაიზარდა 2 ვოლტიდან 4 ვოლტამდე რაც კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი წინსვლა იყო. უნდა ითქვას რომ მეორე პროტოტიპშიც, ანოდად მოიხმარებოდა მეტალური ლითიუმი, რაც ტოვებდა კიდევ ორ პრობლემას: ბატარეა იყო ერთჯერადი და ძალიან საფრთხილო.
მალევე ასპარეზში ჩაერთო დოქტორი აკირა იოშინო, რომელმაც ანოდისთვის ახალი ნივთიერება გამოიყენა. მის პირველ პროტოტიპში მოიხმარებოდა ნავთობის კოქსი (გრაფიტის თხელი ფენები), რომელსაც კათოდივით ფენური სტრუქტურა ჰქონდა და ამასთან შეეძლო ლითიუმის ატომებისა და იონების კარგად გატარება. დღევანდელ ლითიუმ იონურ ბატარეებშიც ასეთი სტრუქტურაა, დატენილი ელემენტის ანოდის ფენებს შორის, რომლებიც წარმოადგენენ ფუტკრის სკის მაგვარ 6 კუთხედიან მატრიცას, მოთავსებული არიან ლითიუმის ატომები. განმუხტვისას ლითიუმი ანოდზე კარგავს ელექტრონს ხოლო იონი მიგრირებს კათოდისკენ. ასეთი დიზაინის უდიდესი პლიუსი ის იყო, რომ შეიძლებოდა მისი დატენვა ანუ განმუხტვის პროცესის შებრუნება. ამასთან არ მოიხმარებოდა დიდი რაოდენობით მეტალური ლითიუმი და მისი აქტიურობა მეტნაკლებად ჩახშობილი იყო ნახშირბადის ფენებით.
გასაოცარია, რომ ნივთი რომელსაც დღევანდელობაში შემცვლელი არ ჰყავს და ამავდროულად შეუმჩნეველი რჩება, თუ რამდენად კომპლექსური და რთულია. ეს არ იყო ერთი გამოგონება, არამედ რამდენიმე აღმოჩენის და დიდი შრომის შედეგი მსოფლიოს სხვადასხვა წერტილებიდან. მართალია ამ მეცნერების ნაშრომები 30-ზე მეტ წელიწადს ითვლის, მაგრამ ეს იმას არ ნიშნავს ,რომ დღესდღეობით მსოფლიოში ბატარეებზე საინტერესო ქიმიაში არაფერი არ ხდება. ნობელის პრემია, ეს არის ერთგვარი წაქეზება ამათუიმ თემაზე მომუშავეთათვის და ახლა სწორედაც ერთერთ ყველაზე დიდ პრობლემას წარმოადგენს ელექტროობის ეფექტური შენახვა.
გამოქვეყნებულია: 11-10-2019