Prekursor: John B. Goodenough
Jego odkrycia napędzały elektroniczną rewolucję i – kto wie – być może przyczynią się do całkowitego odejścia w motoryzacji od napędów spalinowych.
Prezentujemy historię naukowca, którego wynalazek nosi dziś w kieszeni niemal każdy z nas. Ojciec baterii litowo-jonowej: John B. Goodenough.
- Zanim umrę chciałbym sprawić, żeby na autostradach wcale nie było już spalin benzyny. Mam 96 lat, więc jest jeszcze czas – cytat z zeszłorocznego wywiadu dla „The Economist” dobrze ilustruje, dlaczego w branży akumulatorów John B. Goodenough stał się postacią legendarną. Oto historia jego już niemal 70-letniej kariery naukowej oraz nierozerwalnie związanych z nią baterii litowo-jonowych.
Młodość pełna zwrotów akcji
Karierę akademicką urodzonego w 1922 roku Goodenougha przerwała II Wojna Światowa. Paradoksalnie, gdyby nie armia, mógłby nigdy nie zostać profesorem – Czułem, że moim powołaniem jest nauka. Nie miałem jednak pieniędzy ani zielonego pojęcia, jak sfinansować dalsze studia. Wiedziałem za to, że jeśli będę miał okazję, powinienem studiować fizykę – mówił magazynowi DCD. Powróciwszy z wojny, podczas której służył w armii USA jako meteorolog, został objęty programem stypendialnym dla weteranów i w efekcie po kilku latach, w 1952 r. obronił doktorat z fizyki na Uniwersytecie Chicago. Wkrótce potem znalazł zatrudnienie na MIT, gdzie pracował w interdyscyplinarnym zespole rozwijającym badania nad pamięcią RAM na potrzeby komputerowego systemu obrony przeciwlotniczej SAGE. – Okazja wspólnego działania z chemikami, fizykami i inżynierami skierowała mnie ku materiałoznawstwu i inżynierii. Bardzo się tam rozwinąłem i dojrzałem – wspomina profesor na łamach DCD. Po raz kolejny o zwrocie w jego karierze zadecydowały związane z wojskowością czynniki zewnętrzne. Uchwalono, że finansowane z kasy Sił Powietrznych badania nie mogą mieć charakteru ogólnego. Projekt, w którym udział brał Goodenough, wygaszono, naukowiec przyjął więc zaproszenie do pracy na Oxfordzie. Były to lata 70. i świat opanował akurat kryzys naftowy. Profesor postanowił zająć się więc czymś, co pomogłyby zapobiec podobnym zdarzeniom w przyszłości.
Droga do Li-Ion
Długie kolejki ustawiające się na stacjach benzynowych inspirowały także innych wynalazców. Stan Whittingham odkrył sposób na rozpuszczenie jonów litu w siarczku tytanu, a firma Exxon zatrudniła go, by na tej kanwie opracował baterię wielokrotnego ładowania. Goodenoughowi – wtedy już chemikowi pracującym nad materiałami energetycznymi – zaproponowano, by dołączył do zespołu, ale wolał pozostać na Oxfordzie. Uważnie śledził jednak pracę kolegów i wkrótce potem zaproponował przełomowe rozwiązanie. Dzięki zastosowaniu jego katody bazującej na tlenku litowo-kobaltowym wyeliminowano trapiące ówczesne baterie Li-Ion kłopoty z krótkim spięciem, powodującym nawet pożary i wybuchy. Co więcej, tlenek był znacznie bardziej dostępny i łatwiejszy do zsyntezowania niż siarczek tytanu. Poprawa bezpieczeństwa i obniżenie kosztów otworzyło drogę do wykorzystania akumulatorów tego rodzaju na szeroką skalę. Jako pierwsza komercyjnie wykorzystała je w swoich kamerach wideo firma Sony. Kilka dekad i zmian technologicznych później miały stać się one nieodzownym elementem wszelkich urządzeń wielokrotnego ładowania – od smartfonów i laptopów po samochody i wózki widłowe.
Z myślą o przyszłości
Choć wskutek upowszechnienia się wykorzystujących jego wynalazek przenośnych komputerów, tabletów i smartfonów Goodenough stał się w kręgach naukowych gwiazdą, nie spoczął na laurach. Z myślą o magazynowaniu energii z odnawialnych źródeł energii zaproponował wykorzystanie w jeszcze tańszego związku chemicznego na bazie litu, żelaza i fosforu. Wciąż dostrzegając jednak wady swojego rozwiązania – ograniczoną liczbę cykli ładowania oraz niewielkie w świetle ogromnego popytu światowe zasoby litu oraz kobaltu - profesor nie ustaje w pracach choć dobiega setki. Wraz ze swoim zespołem przedstawił ostatnio baterię półprzewodnikową, w której płynny elektrolit zastąpiono ciałem stałym: związkiem litu i szkła.
Nowy akumulator ma pozwalać na szybsze ładowanie i osiągnąć żywotność na poziomie 23 tys. cykli ładowania – 8-10 krotnie więcej niż współczesne baterii Li-Ion. Świat wciąż jest podzielony w ocenie tego rozwiązania, profesor przewiduje jednak, że w przeciągu 10 lat rozwiązanie odniesie komercyjny sukces, tworząc podwaliny pod uniwersalną elektryfikację ruchu drogowego. Czy tak się stanie? Pokaże czas. Niezależnie od tego, czy kolejna generacja akumulatorów będzie bazować na pomysłach Goodenougha czy jego następców, badacz podsumowuje swoją pracę następująco: „Jestem bardzo szczęśliwy z tego, gdzie jesteśmy, co zrobiliśmy i co robimy. Mam dużo optymizmu i nawet jeśli nie zrobię już nic innego, cóż, mieliśmy mnóstwo radochy z nauki całej tej nowej fizyki”.
