Poznáme držiteľov Nobelovej ceny za chémiu. Vyvinuli batérie, ktoré priniesli ľudstvu najväčší úžitok

Švédsky Karolinsky inštitút zverejnil mená až troch nových laureátov Nobelovej ceny za chémiu. Podľa očakávania ju dostali Američan John B. Goodenough z Texaskej univerzity v Austine, Brit M. Stanley Whittingham z Binghamtonskej univerzity a Japonec Akira Yoshino z univerzity Meijo za ich prácu na vývoji lítium-iónových batérií. Goodenough sa stal vo veku 97 rokov najstarším držiteľom Nobelovej ceny v histórii.

Lítium-iónové batérie sa ukázali ako kľúčové v rozvoji sveta špičkových technológií, v ktorých žijeme. Ľahšie a kompaktnejšie ako staršie typy nabíjateľných batérií sa nachádzajú vo všetkom, od mobilných telefónov až po laptopy a elektrické autá.

Začiatkom 70. rokov minulého storočia Whittingham použil obrovský pohon lítia na uvoľnenie vonkajšieho elektrónu, keď vyvinul prvú funkčnú lítiovú batériu. Goodenough zdvojnásobil potenciál lítiovej batérie a vytvoril správne podmienky pre oveľa silnejšiu a užitočnejšiu batériu. Yoshinovi sa podarilo eliminovať čisté lítium z batérie, namiesto toho sa úplne opierala o lítiové ióny, ktoré sú bezpečnejšie ako čisté lítium. Vďaka tomu bola batéria v praxi funkčná.

„Lítium-iónové batérie priniesli ľudstvu najväčší úžitok,“ uviedla Kráľovská švédska akadémia vied.

Viac než len dosť dobrá
Z laického hľadiska sú súčasné lítium-iónové batérie v princípe pomerne jednoduché zariadenia. Tvoria ich samozrejme dve elektródy oddelené membránami a tekutým elektrolytom, ktorý predstavuje diaľnicu pre nabité ióny putujúce od jednej elektródy k druhej.

Keď sa batéria nabíja, kladná elektróda (katóda) zo zliatiny lítia uvoľňuje ióny. Tie sa presúvajú k zápornej anóde, ktorá je obvykle tvorená uhlíkom. Ióny z katódy sa skryjú v uhlíkových vrstvách anódy, kde čakajú, až bude energia v batérii potrebná. Potom začne celý proces prebiehať opačne: ióny z anódy putujú na katódu, kde sa stretnú s elektrónmi prichádzajúcimi z druhej strany zopnutého obvodu.

Môže sa zdať nepochopiteľné, prečo trvalo tak dlho, než takáto batéria vznikla. Už najmenej storočie vieme, že lítium je vďaka svojim vlastnostiam (vrátane nízkej hmotnosti, pretože je to najľahší pevný materiál) ideálnou surovinou pre výrobu batérie. Ale bohužiaľ len na papieri, v praxi bol tento kov úplne nepoužiteľný. Ostatne čo s materiálom, ktorý vám na vzduchu začne horieť.

Po takmer celé 20. storočie si tak ľudstvo vystačilo s batériami, ktoré z veľkej časti vznikli ešte v storočí pary. Napríklad klasický olovený akumulátor bol prvýkrát postavený v roku 1859. Situácia sa začala meniť vďaka práci tohtoročných laureátov od 70. rokov, uvádza Technet.cz.

Náhoda a peniaze z ropy
Prvý krok urobil Stanley Whittingham, ktorý vytvoril funkčnú batériu s jednou lítiovou elektródou. Ako to občas vo vede býva, k výsledku dospel dosť veľkou náhodou: venoval sa výskumu vhodných supravodičov (teda látok, ktoré vedú elektrinu úplne bez strát). Experimentoval so sulfidom titaničitým (TiS2) a zistil, že to síce nie je materiál supravodivý, ale mohol by veľmi dobre fungovať ako elektróda v batérii.

V podstate (a samozrejme trochu nepresne) si ho možno predstaviť ako plást s mnohými vrstvami, medzi ktoré sa schovávajú ióny lítia. Batériu teda stále poháňa lítium, ale môže ho obsahovať menej a v menej nebezpečnej forme.

Výsledok bol však polovičatý: Whittingham postavil batériu s katódou zo svojho novoobjaveného zázračného materiálu a anódou z čistého lítia. Vznikla tak dobíjacia batéria s na svoju dobu vysokou hustotou energie, vhodným rozsahom pracovných teplôt a tiež zaujímavým obchodným potenciálom. To sa sa nezdalo iba Whittinghamovi, ale aj manažmentu spoločnosti Exxon, ktorá - údajne po jedinej štvrťhodinovej schôdzke - ďalší vývoj batérie zafinancovala. Bola doba ropnej krízy a ťažobné spoločnosti pre istotu hľadali aj iné možnosti zárobku.

Čoskoro sa však ukázali nevýhody spojené do značnej miery s využitím elektródy z kovového lítia. Jeden veľký problém sa ukázalo byť prerastanie lítia batérií - to je bežný problém, s ktorým sa ich tvorcovia musia potýkať dodnes. Zjednodušene si to môžete predstaviť tak, že z lítiovej elektródy postupne vyrastali dlhé výhonky čistého kovového lítia, ktoré nakoniec dorástli až k druhej elektróde.

Potom došlo ku skratu, a pretože batéria obsahovala horľavý kov, skrat sa nezaobišiel bez pôsobivého výbuchu. Požiare v Whittinghamovom laboratóriu boli údajne také časté, že mu miestni hasiči začali účtovať použitie špeciálnych zmesí nutných pre hasenie lítia.

Výkony batérie sa aj tak darilo zlepšovať. V roku 1976 Whittingham verejne oznámil svoj vynález a začal batérie vyrábať v malých sériách pre hodinársky priemysel. Ale rozšíriť rady zákazníkov sa darilo len pomaly. Navyše na začiatku 80. rokov klesla cena ropy, Exxon začal šetriť a ukončil financovanie vývoja.

Budúcnosť je v oxide

Whittinghamovu štafetu prevzal John Goodenough. Ten ako materiálový vedec mal pocit, že jeho predchodca naplno nevyužil potenciál svojej batérie. Jeho znalosti mu napovedali, že keby sa podarilo nahradiť sulfid nejakým vhodným oxidom, mohlo by sa výrazne zvýšiť napätie batérie.

Hľadaniu vhodného materiálu sa venovalo hneď niekoľko členov jeho tímu, ktorí nakoniec dosiahli asi väčší úspech, než Goodenough čakal. Tím zistil, že pri využití katódy z oxidu lítia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný, chemickou skratkou LiCoO2) stúpne napätie - teda nepresne laikmi povedané výkon - batérií na dvojnásobok, teda zhruba na štyri volty.

LiCoO2 je od tej doby jeden z najpoužívanejších materiálov v batériách - ale tiež nie zďaleka jediný Goodenoughov objav. V rovnakej dobe okrem iného prišiel na to, že v rozpore s vtedajšou praxou je lepšie batérie vyrábať nenabité. Neskôr potom jeho skupina ako prvá prišla s ďalšou podobou lítiových akumulátorov, dnes stále rozšírenejších lítium-železo-fosfátových akumulátorov (teda s katódou z LiFePO4).

Aby to (toľko) nevybuchovalo
Vráťme sa však do 80. rokov a k tohtoročným nobelistom, konkrétne Akirovi Yoshinovi. Ako prúd financovania pre nové typy batérií v západných krajinách po konci ropnej krízy vysychal, v Japonsku výrobcovia elektroniky hľadali nové typy pohonu pre spotrebnú elektroniku, ktorú vyvážali do celého sveta.

Yoshino pracoval s batériou vylepšenou podľa receptu oboch spolunositeľov tohtoročnej ceny za chémiu, ale pokúšal sa ju urobiť ešte praktickejšiu a bezpečnejšiu. Chcel sa napríklad zbaviť kovového lítia. Katódu vyrobil z Goodenoughom objaveného oxidu lítia a kobaltu a skúšal k nej anódy z rôznych uhlíkatých materiálov, ktoré by slúžili ako klietka na lítiové ióny.

Predchádzajúce výskumy ukázali, že to by mohla byť sľubná cesta, ako úplne nahradiť elektródy z klasického kovového lítia, ktoré sa ukázali tak nebezpečné napríklad pre Whittinghamovo laboratórium. Yoshino experimentoval s rôznymi materiálmi, prelom však dosiahol, keď siahol po tzv. ropnom kokse. To je veľmi krehký materiál, ktorý vzniká pri vysokých teplotách z ťažších zložiek ropy. Pri vhodnom zaobchádzaní a úpravách vznikne materiál zložený takmer výhradne z čistého uhlíka s malým podielom ďalších prímesí (obsah uhlíka u vyčisteného ropného koksu je až 99,5 percenta).

Yoshino tak dokázal z batérie úplne odstrániť čisté lítium a urobiť ju výrazne menej horľavou. Lítiové batérie tak boli po desaťročiach teoretických úvah a pokusov pripravené na každodenné využitie. Uvedenia do praxe sa dočkali v roku 1991 a od tej doby ich význam len a len rastie.

Udelili už aj ceny za medicínu a fyziku

Vlani túto cenu dostali Američania Frances Arnoldová a George Pearson Smith a Brit Gregory Winter za výskum bielkovín. V rokoch 1901 až 2018 bola Nobelova cena za chémiu udelená 110-násobne 180 vedcom, pričom jediný z nich - britský biochemik Frederick Sanger - ju dostal dvakrát, v roku 1958 a 1980. 

Ocenenie dotované deviatich miliónmi švédskych korún (asi 830-tisíc eur) bude tento týždeň oznámené tiež za literatúru a mier. Budúci pondelok bude vyhlásená Nobelova cena za ekonómiu.

V pondelok sa už verejnosť dozvedela mená nových držiteľov Nobelovej ceny za fyziológiu a lekárstvo: Američania William Kaelin a Gregg Semenza a Brit Peter Ratcliffe ju dostali za objav molekulárnych mechanizmov, prostredníctvom ktorých bunky vnímajú dostupnú hladinu kyslíka a prispôsobujú sa tomu.

V utorok boli oznámení laureáti Nobelovej ceny za fyziku Američan kanadského pôvodu James Peebles a Švajčiari Michel Mayor a Didier Queloz za príspevok k pochopeniu evolúcie vesmíru.

Oficiálne budú ocenenia ich novým nositeľom odovzdané 10. decembra, v deň výročia úmrtia zakladateľa ceny a vynálezcu dynamitu Alfreda Nobela. Slávnostný akt sa ako každý rok odohrá v Štokholme; výnimkou je cena za mier, ktorá je tradične odovzdávaná v Osle.