Майкл Стэнли Уиттингем

Майкл Стэнли Уиттингем (род. 22 декабря 1941 года, Великобритания) — британский и американский учёный-химик, специалист в области материаловедения и электрохимии. Лауреат Нобелевской премии по химии 2019 года (совместно с Джоном Гуденафом и Акирой Ёсино) с формулировкой «за разработку литий-ионных аккумуляторов». Внёс основополагающий вклад в создание первых перезаряжаемых литиевых батарей, заложив основы современной портативной электроники и электротранспорта.

Биография

Майкл Уиттингем родился 22 декабря 1941 года в Великобритании. Его детство прошло в городе Сент-Хеленс (графство Мерсисайд), где он посещал местную школу. Интерес к науке проявился рано, во многом благодаря увлечению химическими опытами.

В 1960 году Уиттингем поступил в Новый колледж Оксфордского университета, где изучал химию. В 1964 году он получил степень бакалавра, а в 1968 году — докторскую степень (DPhil) по химии, защитив диссертацию по неорганической химии, посвящённую синтезу и исследованию свойств некоторых интеркалатных соединений.

После защиты докторской Уиттингем начал свою профессиональную карьеру в исследовательской лаборатории компании Exxon Research and Engineering Company (США, штат Нью-Джерси). Именно здесь, в начале 1970-х годов, он совершил своё ключевое открытие, связанное с обратимым внедрением ионов лития в слоистые структуры дисульфида титана (TiS₂). Эта работа стала фундаментом для создания первых литий-ионных аккумуляторов.

В 1976 году Уиттингем перешёл на работу в Университет Бингемтона (State University of New York at Binghamton), где продолжил исследования в области электрохимии и материаловедения. В 1984 году он стал профессором химии в этом же университете, а в 1988 году — заведующим кафедрой. В 2002 году он был назначен директором Института материаловедения и инженерии (Institute for Materials Research) при Университете Бингемтона.

В 2019 году, в возрасте 77 лет, Майкл Уиттингем был удостоен Нобелевской премии по химии за разработку литий-ионных аккумуляторов. На момент вручения премии он являлся заслуженным профессором (Distinguished Professor) Университета Бингемтона.

Научная деятельность

Открытие интеркалации лития

Основное научное достижение Уиттингема связано с открытием и исследованием процесса обратимого электрохимического внедрения (интеркалации) ионов лития в слоистые кристаллические решётки некоторых переходных металлов. В начале 1970-х годов, работая в Exxon, он изучал свойства дисульфида титана (TiS₂). Этот материал обладает слоистой структурой, напоминающей стопку листов, между которыми могут размещаться небольшие ионы.

Уиттингем обнаружил, что ионы лития могут обратимо внедряться в пространство между слоями TiS₂ без разрушения кристаллической решётки. При этом происходила химическая реакция, сопровождающаяся выделением или поглощением энергии. Этот процесс, названный электрохимической интеркалацией, лёг в основу работы перезаряжаемой батареи.

Первая литий-ионная батарея

На основе открытия Уиттингема в 1976 году компания Exxon разработала и продемонстрировала прототип первой в мире перезаряжаемой литий-ионной батареи. В этой батарее:

• Анод был изготовлен из металлического лития.
• Катод — из дисульфида титана (TiS₂).
• Электролит — органический раствор, содержащий соли лития.

При разрядке батареи ионы лития переходили с литиевого анода в катод (TiS₂), внедряясь между его слоями. При зарядке процесс шёл в обратном направлении. Эта батарея обладала рядом преимуществ: она была перезаряжаемой, имела относительно высокое напряжение (около 2,5 В) и высокую плотность энергии по сравнению с существовавшими на тот момент свинцово-кислотными и никель-кадмиевыми аккумуляторами.

Однако у этой ранней версии были и серьёзные недостатки. Главной проблемой была нестабильность литиевого анода: при многократной зарядке на его поверхности образовывались дендриты — игольчатые кристаллы лития, которые могли прорасти через электролит и вызвать короткое замыкание, приводящее к возгоранию или взрыву. Кроме того, дисульфид титана был дорогим и химически активным материалом. Из-за этих проблем, а также из-за падения цен на нефть, Exxon в конце 1970-х годов прекратила коммерческое развитие этой технологии.

Дальнейшие исследования

После ухода из Exxon Уиттингем продолжил исследования в области материалов для электрохимических устройств. В Университете Бингемтона он занимался изучением различных интеркалатных соединений, в том числе на основе оксидов ванадия и молибдена. Он также внёс вклад в понимание механизмов переноса заряда в твёрдых телах и в разработку новых типов электролитов.

Хотя его ранняя работа не привела к немедленному коммерческому успеху, она стала критически важным шагом. Именно открытие Уиттингема вдохновило других учёных, в частности Джона Гуденафа и Акиру Ёсино, на создание более безопасных и эффективных литий-ионных аккумуляторов с использованием оксидных катодов (например, LiCoO₂) и углеродных анодов, которые впоследствии и стали основой современных технологий.

Признание и награды

• Нобелевская премия по химии (2019) — совместно с Джоном Гуденафом и Акирой Ёсино «за разработку литий-ионных аккумуляторов».
• Член Национальной инженерной академии США (2020) — за вклад в создание и развитие литий-ионных батарей.
• Член Американской академии искусств и наук (2020).
• Премия имени Чарльза Старка Дрейпера (2020) — совместно с Джоном Гуденафом и Акирой Ёсино.
• Премия «Глобальная энергия» (2018) — за вклад в создание и развитие литий-ионных аккумуляторов.
• Медаль имени Грегори П. Д. (2017) — от Электрохимического общества.

Значение работ

Работы Майкла Уиттингема имеют фундаментальное значение для современной энергетики и электроники. Открытый им принцип электрохимической интеркалации лёг в основу всех современных литий-ионных аккумуляторов, которые используются в:

• Портативной электронике (смартфоны, ноутбуки, планшеты).
• Электротранспорте (электромобили, гибридные автомобили).
• Системах хранения энергии (для возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветровые электростанции).
• Медицинских устройствах (кардиостимуляторы, слуховые аппараты).

Без его первоначального открытия создание безопасных и эффективных перезаряжаемых батарей с высокой плотностью энергии было бы значительно затруднено. Нобелевский комитет отметил, что Уиттингем «заложил основу для создания литий-ионных аккумуляторов», которые «революционизировали нашу жизнь» и «позволили создать беспроводной мир».

Источники

• Нобелевская премия по химии 2019 года. Официальный сайт Нобелевского комитета.
• Michael Stanley Whittingham. Biographical. NobelPrize.org.
• Whittingham, M. S. (1976). "Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry". Science.
• Whittingham, M. S. (2004). "Lithium Batteries and Cathode Materials". Chemical Reviews.
• Университет Бингемтона. Профиль Майкла Уиттингема.