A 2019-es kémiai Nobel-díj három nyertese közül, a 71 éves Akira Yoshino a lítium-ion akkumulátor feltalálása miatt kapott elismerést.

A tudós elmondása szerint arra vágyik, hogy a fiatalabb generáció kíváncsi gondolkodásmóddal kutassa a még ismeretlen tudományos területeteket, mivel az ismeretlen vezetett az Ő saját sikeréhez is.

„Világos célkitűzéssel és kitartó erőfeszítéssel a lehetőségek végtelenek.”

Yoshino 1948. január 30-án született Japánban, Suitában.

Az általános iskola negyedik osztályában kezdett érdeklődni a kémia iránt, amikor tanára előadást tartott a gyertya kémiai történetéről. Annyira megtetszett neki, hogy megvette az ezzel foglalkozó könyvet és teljesen belemerült. Mielőtt a mérnöki szakma iránt elköteleződött és elkezdte tanulmányait a Kiotói Egyetem Mérnöki Karán érdeklődött a régészet iránt is. Véleménye szerint ez új és tágabb perspektívát adott számára a jövendőbeli kutatásaiban.

A Kiotói Egyetemen szerzett alap (1970) és mesterfokú (1972) végzettséget, ami után az Asahi Kasei Corpration nevű cégnél kezdett dolgozni. 1981-ben Yoshino megkezdte a polietilén felhasználásával újratölthető elemek vizsgálatát. (A polietilén egy elektromosan vezető polimer, amelyet Hideki Shirakawa fedezett fel, amiért később (2000-ben) kémiai Nobel-díjat kapott.) A lítium-ion akkumulátor kidolgozásával 1982-ben kezdett el foglalkozni, amikor a Kawasaki laboratóriumba került.

Az 1980-as években nagyon sok kutatás és fejlesztés foglalkozott a hordozható elektronikával,

ezért szükség volt kis és könnyű, nagy energiasűrűségű és újratölthető akkumulátor feltalálásara. Azonban senki sem tudta, milyen típusú újratölthető akkumulátorra lesz szükség. A probléma az volt, hogy a rendszer nagyon gyúlékony volt, ami hajlamos a rövidzárlatra a többszörös töltések és kisülések után.

Régebben az újratölthető akkumulátorok vizet használtak oldószerként az elektrolitok számára. A vizet azonban elektrolizálják hidrogénné és oxigénné, ha a feszültség meghaladja az 1,5 voltot. Ezért gyakorlatilag lehetetlen volt a több mint 1,5 V-ot megteremteni.

„Szerves oldószert használtam víz helyett, és negatív elektródként szenet használva 4 volttal többet tudtam elérni. Lítium-kobalt-oxiddal és pozitív elektródaanyaggal létrehoztam a világ első LIB-jét.”

Az újratölthető akkumulátor egy komplex rendszer.

A kutatók korábban kimutatták, hogy a lítium-ionok a molekuláris rétegekben (grafitban) interkalálódhatnak. Gyakorlati és kereskedelmi elvárás velük szemben, hogy nagy teljesítményűek, hosszabb távon életképesek és biztonságosak legyenek, különösen az ismételt feltöltés elviselése a kiemelt szempont.

Ezért 1983-ban Yoshino csinált egy prototípust az újratölthető akkumulátorból, amihez katódként John B. Goodenough lítium-kobalt-oxidját (LiCoO2) használta és anódként pedig különféle szén alapú anyagokat próbált ki. Ebben a prototípusban az anód anyag nem tartalmazott lítiumot. Az áttörés akkor sikerült számára, amikor kőolajkokszot használt anódként. Ez volt a közvetlen előfutára a lítium-ion akkumulátornak (LIB).

Lítium-ion akkumulátor töltése vagy használatakor az ionok az elektródok között áramlanak anélkül, hogy a környezetükre reagálnának. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátornak hosszú élettartama van és több százszor feltölthető, mielőtt a teljesítménye romlik. További nagy előnye, hogy az akkumulátornak nincs tiszta lítiuma.

1986-ban, amikor Yoshino először vizsgálta meg az akkumulátor biztonságát,

óvatosan viselkedett és robbanóeszközök tesztelésére szolgáló létesítményt használt. Egy nagy vasdarabot dobott az akkumulátorra, de semmi sem történt. Azonban a kísérlet megismétlésével az egyik akkumulátor, amely tiszta lítiumot tartalmazott, heves robbanást produkált. A biztonsági tesztelések sikere alap feltétele volt az akkumulátor jövője szempontjából.

A LIB tekercselt felépítését saját maga tervezte, hogy nagy elektródafelületet biztosítson és lehetővé tegye a nagy áramkisülést a szerves elektrolit alacsony vezetőképessége ellenére. Olyan vezetőképes bevonatot (áramgyűjtő-alumínium fóliát) fejlesztett ki, ami hatékonyan javíthatja a pólusdarabok tapadását a lítium akkumulátorban, csökkentheti az alkalmazott kötőanyag mennyiségét és ezzel egyidejűleg jelentősen javítja az akkumulátor elektromos tulajdonságait.

Annak ellenére, hogy 1991-ben debütált az akkumulátor a Sony-nál majd egy évre rá az A&T Battery (Asahi Kasei és a Toshiba közös vállalkozása) is forgalomba hozta. A találmány eleinte a videokamerák használatához nyújtott segítséget. A lítium-ion akkumulátor csak 1995-ben és a Windows 95 korszakának hajnalán került reflektorfénybe.

A LIB kis és könnyű újratölthető elemként történő forgalmazása nagyban hozzájárult a hordozható elektronikus eszközök, például mobiltelefonok, laptop számítógépek, digitális fényképezőgépek, videokamerák és hordozható zenelejátszók fejlesztéséhez. A LIB-t egyre többet használják elektromos járművekben is, elősegítve egy új piac kibővítését.

Akira Yoshino az életében számos elismerést kapott kutatásáért a Nobel-díj előtt.

• 1998: A japán Kémiai Társaság kémiai technológiai díja
• 1999: Az Elektrokémiai Társaság akkumulátoros technológiai díja
• 2001: Ichimura-díjak az iparban – Érdemes eredmények díja
• 2003: Az oktatási, kulturális, sport-, tudományos és technológiai miniszter elismerése a tudományért és a technológiáért – a tudományos és technológiai díj, fejlesztési kategóriában
• 2004: Lila Szalag Díj, Japán kormányától
• 2011: Yamazaki-Teiichi-díj a japán anyagtudomány és technológia előmozdítását szolgáló alapítványtól
• 2011: C&C díj a NEC C&C Alapítványtól
• 2012: IEEE érem a környezetvédelmi és biztonsági technológiákért
• 2013: The Global Energy Prize
• 2014: Charles Stark Draper-díj
• 2018: Japán díj
• 2019: Az Év Európai Feltalálója díj
• 2019: Kémiai Nobel-díj

Ami a jövőt illeti, Yoshino úgy gondolja, hogy az energiaágazat megérett az elektromos autókra. A lítium-ion akkumulátorok a hibrid elektromos járművek sarokkövei, ezek segítik a világot a környezetre káros kibocsátások csökkentésében.

„A lítium-ion akkumulátor elektromos járművekben történő alkalmazása ma gyors ütemben halad előre. Ez a fejlődés a globális környezeti problémák hátterében zajlik, amely az egész emberiség számára nagy kihívás. Úgy gondolom, hogy a lítium-ion akkumulátor következő küldetése az, hogy megoldást kínáljon ezekre a problémákra.”

Forrás:

Asahi Kasei I.
Asahi Kasie II.
AsianScientist
Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa – Lithium-Ion Batteries
The Nobel Prize