Nobelova cena za chémiu 2019

Cenu si tento rok odniesla trojica výskumníkov John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akira Yoshino za svoj výskum v oblasti lítiových batérií. 

Nobelove ceny sa často dávajú za abstraktné objavy, s ktorými väčšina bežných ľudí neprichádza do kontaktu. Tohtoročná cena za chémiu patrí do druhej skupiny. Lítiové batérie sú všade: dodávajú energiu laptopu, na ktorom píšem tento článok, ako aj zariadeniam, na ktorých ho mnohí z vás čítajú. Ako napísal blogger Tim Urban: „Prakticky už sme kyborgovia, len nie sme fyzicky spojení s našimi elektronickými mozgami.“ 

Lítiové batérie však fungujú aj na väčších škálach: poháňajú elektrické autá a ukladajú energiu získanú z obnoviteľných zdrojov, čím potláčajú hlavnú nevýhodu týchto zdrojov energie – nestabilný príkon. To je obzvlášť dôležité vo svete čoraz viac ohrozovanom klimatickými zmenami, za ktoré je značne zodpovedná spaľovanie fosílnych palív. 

Všetky batérie sú založené na spoločnej schéme: dve elektródy (v najjednoduchšom prípade kusy kovu) [1] ponorené do roztoku (alebo pasty) obsahujúceho ióny [2] s prvkami z elektród. Na elektródach prebiehajú chemické reakcie, pričom v reakcii na jednej elektróde sa uvoľňujú elektróny a na druhej sa spotrebovávajú. Uvoľnené elektróny sa z jednej elektródy na druhú presúvajú elektrickým obvodom, čiže cez zariadenie, ktoré batéria poháňa. 

Celkový obvod je uzavretý vnútrom batérie, kde z jednej elektródy na druhú putujú ióny v roztoku. Batéria sa vybije, keď sa chemickými reakciami spotrebuje kritické množstvo materiálu elektród. V prípade nabíjateľnej batérie je spotrebič možné nahradiť zdrojom elektrického napätia. Elektrický prúd a chemické reakcie na elektródach budú potom prebiehať opačným smerom a batéria sa vráti do pôvodného stavu. 

Princíp batérie je známy už od 19. storočia, avšak skutočne výkonné, spoľahlivé a dobíjateľné batérie sú relatívna novinka. Na konštrukciu elektród sa dajú použiť rôzne prvky a zlúčeniny. Materiály si však nie sú rovné, konkrétne materiály ovplyvňujú napätie, životnosť, prenosnosť a iné faktory. 

Lítium je tretí prvok periodickej tabuľky, v jadre má tri protóny a v neutrálnom stave tri elektróny v elektrónovom obale. Je to najľahší pevný prvok (za bežných podmienok) a v batérii rýchlo putuje medzi elektródami a roztokom. Okrem toho má veľmi nízku hodnotu (nízku v zmysle vysokého záporného čísla) vlastnosti nazývanej štandardný redukčný potenciál, vďaka čomu vedia lítiové batérie dodávať vysoké napätie (na pomery batérií). Výhodou lítiových batérií je ich nízka hmotnosť. 

Čisté lítium je ale tiež veľmi reaktívne. Nie až tak ako pri styku s vodou vybuchujúci sodík, ktorý sa nachádza sa o jeden riadok v periodickej tabuľke nižšie, ale pri kontakte s niektorými látkami vybuchnúť môže, čo bol neduh prvých lítiových batérií. Prvé pokusy (Whittingham) používali kovové lítium ako anódu. Toto riešenie sa ukázalo ako nepraktické – batérie zvykli skratovať a vybuchnúť.

Lítium sa neskôr presunulo na katódu (Goodenough) v podobe zlúčeniny oxidu lítia a kobaltu. Posledným vylepšením (Yoshino) umožňujúcim zavedenie lítiových batérií do praxe bolo použitie anód na báze zlúčenín uhlíka. Lítiové batérie odvtedy prešli ešte niekoľkými vylepšeniami, ale boli to práve Wittingham, Goodenough a Yoshino, ktorých práca naštartovala lítiovú éru. 

[Lukáš]

– – – 

[1] Jedna elektróda je kladná (katóda), druhá záporná (anóda).
[2] Atómy alebo skupiny atómov s elektrickým nábojom. Ióny s kladným nábojom sú katióny, so záporným anióny. 

Nobelova cena za medicínu a fyziológiu 2019
Nobelova cena za fyziku 2019