Акира Ёсино

Акира Ёсино (род. 27 января 1948 года, Суйта, префектура Осака, Япония) — японский химик, инженер-материаловед, изобретатель, профессор Университета Мэйдзё (Нагоя). Лауреат Нобелевской премии по химии 2019 года (совместно с Джоном Гуденафом и Стэнли Уиттингемом) с формулировкой «за разработку литий-ионных аккумуляторов». Ёсино считается создателем первой коммерчески жизнеспособной литий-ионной батареи, которая произвела революцию в портативной электронике, а затем и в электротранспорте.

Биография

Ранние годы и образование

Акира Ёсино родился в городе Суйта, расположенном в промышленном регионе Кансай. Его отец был инженером на заводе химической компании. С детства Ёсино проявлял интерес к химии и физике, собирая модели и проводя простые опыты. В 1966 году он поступил на факультет нефтехимии Киотского университета, одного из ведущих вузов Японии. В 1970 году получил степень бакалавра, а в 1972 году — магистра в области химического машиностроения. Его дипломная работа была посвящена каталитическим процессам в нефтехимии.

Карьера в Asahi Kasei

После окончания университета в 1972 году Ёсино начал работать в компании Asahi Kasei (ныне Asahi Kasei Corporation), крупном японском химическом концерне. Первоначально он занимался разработкой новых полимерных материалов, в частности полиацетилена, проводящего полимера, который впоследствии сыграл ключевую роль в его изобретении. В 1981 году, в период нефтяного кризиса и поиска альтернативных источников энергии, руководство компании поручило Ёсино и его группе заняться разработкой перезаряжаемых батарей для портативных устройств.

Создание литий-ионного аккумулятора

В 1985 году, работая в лаборатории Asahi Kasei, Ёсино создал прототип первой в мире литий-ионной батареи. Ключевым новшеством стало использование в качестве анода углеродного материала (кокса), а в качестве катода — литий-кобальтового оксида (LiCoO₂), разработанного ранее Джоном Гуденафом. Это позволило решить главную проблему предыдущих литиевых батарей: нестабильность и опасность возгорания из-за использования металлического лития. Ёсино впервые применил принцип «интеркаляции» — обратимого внедрения ионов лития в структуру электрода без химического разрушения материала. В 1986 году он получил первый патент на своё изобретение.

Коммерциализация и дальнейшая работа

В 1991 году компания Sony, лицензировав технологию Asahi Kasei, выпустила на рынок первую коммерческую литий-ионную батарею, которая использовалась в портативных видеокамерах. Это стало началом массового распространения технологии. Ёсино продолжал работать в Asahi Kasei до выхода на пенсию в 2010 году, занимая должности руководителя отдела исследований и разработок, а затем главного научного сотрудника. После ухода из корпорации он стал профессором Университета Мэйдзё, где продолжил исследования в области электрохимии и наноматериалов для аккумуляторов нового поколения.

Научный вклад

Разработка анода из углеродного материала

До Ёсино попытки создать перезаряжаемую литиевую батарею сталкивались с проблемой дендритообразования — роста игольчатых кристаллов лития на аноде, что приводило к коротким замыканиям и взрывам. Ёсино предложил заменить металлический литий на углеродный материал, способный обратимо поглощать ионы лития. Он провёл систематические эксперименты с различными формами углерода: графитом, сажей, коксом. Оптимальным оказался кокс, полученный из нефтяного сырья, который обеспечивал стабильный цикл заряда-разряда без разрушения структуры.

Создание прототипа батареи

В 1985 году Ёсино собрал первый рабочий прототип, который состоял из:

• Катода: литий-кобальтового оксида (LiCoO₂) на алюминиевой фольге.
• Анода: кокса на медной фольге.
• Электролита: раствора перхлората лития (LiClO₄) в органическом растворителе (пропиленкарбонат).
• Сепаратора: пористой полипропиленовой плёнки.

Этот прототип продемонстрировал напряжение около 4 В и удельную энергию, значительно превышающую показатели никель-кадмиевых и свинцово-кислотных аккумуляторов. Ёсино также разработал систему безопасности, включающую предохранительный клапан для сброса давления при перегреве.

Влияние на развитие электрохимии

Работы Ёсино заложили основы современной электрохимии интеркаляционных материалов. Он ввёл понятие «коктейль-катод» — комбинацию различных оксидов металлов для оптимизации характеристик батареи. Его исследования стимулировали разработку новых катодных материалов (литий-железо-фосфат, литий-никель-марганец-кобальт-оксид) и анодных материалов (кремний, графен). Ёсино также внёс вклад в создание твёрдотельных электролитов, которые могут повысить безопасность и энергоёмкость аккумуляторов.

Признание и награды

Нобелевская премия по химии (2019)

В 2019 году Акира Ёсино, Джон Гуденаф и Стэнли Уиттингем были удостоены Нобелевской премии по химии «за разработку литий-ионных аккумуляторов». Нобелевский комитет отметил, что их изобретение «заложило основу для беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива». Ёсино стал первым японцем, получившим Нобелевскую премию по химии в XXI веке.

Другие награды

• Премия Японской академии наук (2018) — за выдающиеся достижения в области химии.
• Премия Чарльза Старка Дрейпера (2014) — одна из высших инженерных наград США, вручена совместно с Гуденафом и Уиттингемом.
• Премия королевы Елизаветы II в области инженерии (2013) — за вклад в развитие инженерной мысли.
• Премия Асахи (2011) — за создание литий-ионных батарей.
• Орден Культуры (2019) — высшая награда Японии в области культуры.

Членство в академиях

Ёсино является почётным членом Японского химического общества, членом Американского химического общества, а также иностранным членом Шведской королевской академии наук (с 2020 года).

Критика и ограничения технологии

Экологические аспекты

Несмотря на революционность, литий-ионные батареи имеют ряд недостатков, которые критикуются экологами. Добыча лития, кобальта и никеля часто связана с загрязнением окружающей среды и нарушением прав человека в странах-производителях (например, в Демократической Республике Конго, где добывается большая часть кобальта). Переработка отработанных батарей остаётся сложной и дорогостоящей, что приводит к накоплению токсичных отходов.

Безопасность и деградация

Хотя Ёсино значительно повысил безопасность по сравнению с металлическими литиевыми батареями, литий-ионные аккумуляторы всё ещё подвержены возгоранию при перегреве, механических повреждениях или производственных дефектах (например, в смартфонах Samsung Galaxy Note 7). Также они деградируют со временем: ёмкость снижается после 500–1000 циклов заряда-разряда. Ёсино сам признавал, что поиск идеального электролита и анода остаётся открытой задачей.

Энергетическая плотность

Современные литий-ионные батареи имеют теоретический предел энергетической плотности около 250–300 Вт·ч/кг, что недостаточно для массового внедрения в авиацию и дальний электротранспорт. Ёсино в своих поздних работах подчёркивал необходимость перехода к литий-воздушным, литий-серным или натрий-ионным системам.

Интересные факты

• Ёсино получил патент на своё изобретение в 1986 году, но коммерческий успех пришёл только через пять лет, когда Sony решила использовать технологию для видеокамер.
• В 2019 году, получая Нобелевскую премию, Ёсино сказал: «Я никогда не думал, что моя работа изменит мир. Я просто хотел сделать хорошую батарею».
• Ёсино является автором более 200 научных статей и 50 патентов. Он также написал несколько книг по истории развития аккумуляторов.
• В 2020 году в честь Ёсино был назван астероид (26919) Akira-Yoshino, открытый японскими астрономами.
• Ёсино активно участвует в популяризации науки, выступая с лекциями для школьников и студентов в Японии и за рубежом.

Источники

• Нобелевский комитет. «Премия по химии 2019: Акира Ёсино, Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем». Официальный сайт Нобелевской премии, 2019.
• Yoshino, A. (2012). «The Birth of the Lithium-Ion Battery». Angewandte Chemie International Edition, 51(24), 5798–5800.
• Asahi Kasei Corporation. «Dr. Akira Yoshino: Biography». Корпоративный сайт, 2020.
• Японская академия наук. «Список лауреатов премии 2018 года». Официальный сайт, 2018.
• «Акира Ёсино: как я изобрёл литий-ионный аккумулятор». Интервью журналу Nature, 2019.
• «Литий-ионные батареи: экологические проблемы и перспективы переработки». Environmental Science & Technology, 2020.