Obvykle, když sekretář Švédské královské akademie věd Göran Hansson začne číst oznámení o nositelích Nobelových cen pro daný rok, se během prvních několika desítek sekund žádné reakce nedočká. Jako první čte oznámení ve švédštině, kterému v sále rozumí jen málokdo.
V případě chemických „nobelovek“ pro rok 2019 ovšem dav hned zkraje oznámení zašuměl; zaznělo kouzelné slůvko, na které většina přítomných čekala. Goodenough, přesněji „John B. Goodenough“. V tu chvíli bylo zcela jasné, že cenu si odnáší objev, který se již dlouho držel v popředí všech tipařských soutěží: objev lithium-iontového akumulátoru.
Jak se ukázalo vzápětí, cenu si mezi sebe rozdělili John B. Goodenough, Stanley Whittingham (oba USA) a Akira Jošino (Japonsko). Dohromady zásadně přispěli k vývoji materiálů, které najdete v bateriích, jež pohání nejen všechny možné druhy elektroniky, ale také elektromobily. Jejich objevy otevřely cestu k „elektrifikované“ přítomnosti.
Důvodem ocenění byl nejen význam objevu, ale i skutečnost, že John Goodenough je ve velmi požehnaném věku (97 let) a Nobelova cena se neuděluje posmrtně.
The 2019 #NobelPrize in Chemistry has been awarded to John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino “for the development of lithium-ion batteries.” https://t.co/LUKTeFhUbg
Více než jen „dost dobrá“
Z laického hlediska jsou současné „lithium-iontové“ baterie v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé.
Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořena uhlíkem. Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu.
Může se zdát nepochopitelné, proč trvalo tak dlouho, než taková baterie vznikla. Už nejméně století víme, že lithium je díky svým vlastnostem (včetně nízké hmotnosti, protože je to nejlehčí pevný materiál) ideální surovinou pro výrobu baterii. Ale bohužel jen na papíře, v praxi byl tento kov zcela nepoužitelný. Ostatně co s materiálem, který vám na vzduchu začne hořet.
Po téměř celé 20. století si tak lidstvo vystačilo s bateriemi, které z velké části vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Situace se začala měnit díky práci letošních laureátů od 70. let.
Náhoda a peníze z ropy
První krok udělal Stanley Whittingham, který vytvořil funkční baterii s jednou lithiovou elektrodou. Jak to občas ve vědě bývá, k výsledku dospěl dosti velkou náhodou: věnoval se výzkumu vhodných supravodičů (tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát). Experimentoval se sulfidem titaničitým (TiS2) a zjistil, že to sice není materiál supravodivý, ale mohl by velmi dobře fungovat jako elektroda v baterii.
V podstatě (a samozřejmě poněkud nepřesně) si ho lze představit jako plástev s mnoha vrstvami, mezi které se schovávají ionty lithia. Baterii tedy stále „pohání“ lithium, ale může ho obsahovat méně a v méně nebezpečné formě.
M. Stanley Whittingham při přednášce na Cornell University v dubnu 2019
Výsledek byl ovšem polovičatý: Whittingham postavil baterii s katodou ze svého nově objeveného zázračného materiálu a anodou z čistého lithia. Vznikla tak dobíjecí baterie s na svou dobu vysokou hustotou energie, vhodným rozsahem pracovních teplot a také zajímavým obchodním potenciálem. To se se nezdálo pouze Whittinghamovi, ale také managementu společnosti Exxon, která - údajně po jediné čtvrthodinové schůzce - další vývoj baterie zafinancovala. Byla doba ropné krize a těžařské společnosti pro jistotu hledaly i jiné možnosti výdělku.
Brzy se ovšem ukázaly nevýhody spjaté do značné míry s využitím elektrody z kovového lithia. Jeden veliký problém se ukázalo být „prorůstání“ lithia baterií - to je běžný problém, se kterým se jejich tvůrci musí potýkat dodnes. Zjednodušeně si to můžete představit tak, že z lithiové elektrody postupně vyrůstaly dlouhé „výhonky“ (česky se odborně říká dendrity) čistého kovového lithia, které nakonec dorostly až k druhé elektrodě.
Pak došlo ke zkratu, a protože baterie obsahovala hořlavý kov, zkrat se neobešel bez působivého výbuchu. Požáry v Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia.
Výkony baterie se i tak dařilo zlepšovat. V roce 1976 Whittingham veřejně oznámil svůj vynález a začal baterie vyrábět v malých sériích pro hodinářských průmysl. Ale rozšířit řady zákazníků se dařilo jen pomalu. Navíc na začátku 80. let klesla cena ropy, Exxon začal šetřit a ukončil financování vývoje.
Budoucnost je v oxidu
Slavný vynálezce baterií má nápad na revoluciLegendární John Goodenough, jeden z autorů dnes všudypřítomné Li-ion baterie, přišel po třiceti letech s dalším přelomovým konceptem. Jeho nová baterie by mohla způsobit převrat v nejednom odvětví. Řada vědců je ale vůči jeho vylepšení skeptická.  John Goodenough se v 80. letech významně zasloužil o vývoj Li-ion baterií, které jsou dodnes považovány za nejlepší řešení pro mobilní zařízení |
Whittinghamovu štafetu převzal John Goodenough. Ten jako materiálový vědec měl pocit, že jeho předchůdce plně nevyužil potenciál své baterie. Jeho znalosti mu napovídaly, že kdyby se podařilo nahradit sulfid nějakým vhodným oxidem, mohlo by se výrazně zvýšit napětí baterie.
Hledání vhodného materiálu se věnovalo hned několik členů jeho týmu, kteří nakonec dosáhli asi většího úspěchu, než Goodenough čekal. Tým zjistil, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný, chemickou zkratkou LiCoO2) stoupne napětí - tedy nepřesně laciky řečeno „výkon“ - baterií na dvojnásobek, tedy zhruba na čtyři volty.
LiCoO2 je od té doby jeden z nejpoužívanějších materiálů v bateriích - ale také ne zdaleka jediný Goodenoughův objev. Ve stejné době mimo jiné přišel na to, že v rozporu s tehdejší praxí je lepší baterie vyrábět nenabité. Později pak jeho skupina jako první přišla s další podobou lithiových akumulátorů, dnes stále rozšířenějších lithium-železo-fosfátových akumulátorů (tedy s katodou z LiFePO4). Ostatně zajímavé nápady má i ve svých více než 90 letech.
John Goodenough při oslavě 95. narozenin na Texaské univerzitě
Aby to (tolik) nevybuchovalo
Vraťme se ovšem do 80. let a k letošním nobelistům, konkrétně Akiru Jošinovi (angl. transkripcí Akira Yoshino). Jak proud financování pro nové typy baterií v západních zemích po konci ropné krize vysychal, v Japonsku výrobci elektroniky hledali nové typy „pohonu“ pro spotřební elektroniku, kterou vyváželi do celého světa.
Jošino pracoval s baterií vylepšenou podle receptu obou spolunositelů letošní ceny za chemii, ale pokoušel se ji učinit ještě praktičtější a bezpečnější. Chtěl se například zbavit kovového lithia. Katodu vyrobil z Goodenoughem objeveného oxidu lithia a kobaltu a zkoušel k ní anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty.
Předchozí výzkumy ukázaly, že to by mohla být slibná cesta, jak zcela nahradit elektrody z klasického kovového lithia, které se ukázaly tak nebezpečné například pro Whittinghamovu laboratoř. Jošino experimentoval z různými materiály, průlomu ovšem dosáhl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %).
Jošino tak dokázal z baterie zcela odstranit čisté lithium a učinit ji výrazně méně hořlavou. Lithiové baterie tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste.
Akira Jošino při přebírání Evropské inovační ceny v roce 2019
Malý přehled
Udílení Nobelových za rok 2019 cen začalo v pondělí 8. října cenou za fyziologii a lékařství. Byla rovným dílem rozdělena mezi tři vědce, kteří popsali, jak přesně se buňky v našem těle vyrovnávají s nedostatkem kyslíku. Jde o výsledek ryze základního výzkumu, který pomalu začíná mít i praktické aplikace, například v léčbě anémie či při hledání nových způsobů boje s rakovinou.
V úterý 9. října následovala cena za fyziku, kterou získali napůl kanadsko-americký fyzik James Peebles a dvojice švýcarských vědců Michel Mayor a Didier Queloz. Peebles se věnuje kosmologii, tedy vědě o vývoji vesmíru, oba švýcarští vědci byli oceněni za objev planety u jiné hvězdy podobné našemu Slunci.
Ve čtvrtek 10. října hodinu po poledni se bude vyhlašovat ocenění za literaturu, v pátek 11. října v 11:00 cena za mír. „Nenobelovská“ cena za ekonomii přijde jako obvykle na řadu až příští týden, v pondělí 14. října v 11:45.
V loňském roce chemii Nobelovu cenu za chemii získali odborníci, kteří dokázali ve zkumavce zrychlit evoluci a využít ji k vývoji nových chemikálií nebo léčiv. Polovinu ceny si odnesla Francis Arnoldová (USA), po čtvrtině George Smith (USA) a Gregory Winter (Velká Británie).
Tradice udělování Nobelových cen existuje už 118 let; poprvé se tak stalo roku 1901, ceremoniál vyhlašování se koná vždy ve Stockholmu na začátku října, samotné předávání následuje na slavnostním večeru v polovině prosince. Každý oceněný dostane kromě pamětní medaile a diplomu také peněžitou odměnu, která letos dosáhla v přepočtu 21,33 milionu českých korun.
