Впервые литий-ионные аккумуляторы были изобретены в 1977 году американским ученым Стэнли Уиттингемом, работавшим в лабораториях нефтяного гиганта Exxon в Нью-Джерси. Хотя Уиттингем и двое его коллег в итоге были удостоены Нобелевской премии по химии за это изобретение - Нобелевский комитет в 2019 году похвалил его за то, что оно "сделало возможным общество без ископаемого топлива", - компания Exxon отказалась от этой технологии отчасти из-за опасений, что ранние версии батарей будут самопроизвольно сгорать - проблема, известная как "тепловой выброс", вызванный реактивными свойствами лития. Падение цен на нефть также вернуло бензину привлекательность после окончания арабского нефтяного эмбарго, что уменьшило необходимость поиска замены нефти. Добавление кобальта в состав батареи, как выяснилось позже, позволило смягчить последствия этих взрывов. В итоге патенты достались японской компании Sony, и в 1990 году она представила линейку портативных видеокамер, работающих от перезаряжаемых литий-ионных батарей. Эти батареи были столь же мощными, как и традиционные свинцово-кислотные. Благодаря электрохимическим свойствам лития их можно было сделать легче и меньше.
Это изобретение помогло персональной электронике войти в обиход. Вскоре повсюду появились ноутбуки, мобильные телефоны и другие виды бытовой электроники, питающиеся от аккумуляторных батарей, изготовленных из металлов, которые можно использовать тысячи раз. И все же большинство потребителей в мире не обращали внимания на то, как сильно Периодическая таблица элементов влияет на их повседневную жизнь и, все больше, на их будущее. Хотя Организация Объединенных Наций объявила 2019 год Международным годом Периодической таблицы химических элементов в честь 150-летия создания Дмитрием Менделеевым этой легендарной таблицы, среднестатистический покупатель в универмаге с трудом сможет определить, что из ее составляющих входит в аккумулятор компьютера, автомобиль или солнечную батарею. Чуть более четверти американцев в ходе опроса 2019 года заявили, что никогда не слышали о редкоземельных элементах - важнейших материалах, используемых для создания магнитов, которые питают электромобили.
Когда Мартин Эберхард основал компанию Tesla Motors в 2003 году, литий-ионные аккумуляторы находились на задворках автомобильного сектора и рассматривались Ford, Chrysler и другими автогигантами как своего рода научный эксперимент. Элон Маск пришел в Tesla в следующем году и начал путь компании к выпуску своего первого автомобиля - Roadster - в 2008 году. Это был путь, включавший в себя партнерство с немецким концерном Daimler, японской Toyota и даже с правительством США, - извилистый путь, описан в книге "Войны автомобилей", написанной Джоном Фиалкой и рассказывающей о первых годах становления индустрии электромобилей.
С появлением электромобилей, в которых замена масла, подсчет миль на галлон, радиаторы и другие основные элементы двигателя внутреннего сгорания уходят в прошлое, потребителям все чаще приходится осваивать новый набор терминов, начиная со строения литий-ионного аккумулятора. Она состоит из четырех основных частей: анода, катода, электролита и сепаратора. Анод обычно изготавливается из графита. Катод изготавливается из лития и, в зависимости от конструкции, смеси никеля, марганца, кобальта или алюминия. Между ними находится раствор электролита, часто сделанный из лития, а между ними - сепаратор, состоящий из пластика. Внутри двигателя EV находится более километра медных проводов, которые помогают превратить энергию от батареи в движение. Когда батарея питает автомобиль или другое устройство, ионы лития проходят от анода через сепаратор к катоду. Во время зарядки процесс происходит в обратном направлении.
Мощность литий-ионного аккумулятора напрямую зависит от содержания в нем металла, но разобраться в разнице между киловаттами и киловатт-часами, когда многие за последние сто лет привыкли считать мощность автомобиля в "лошадиных силах", может показаться сложной задачей. Солнечные панели и ветряные турбины также вырабатывают электроэнергию в киловатт-часах.
Чтобы получить ответы, я попросил инженера-химика Национальной лаборатории Аргонна Шаббира Ахмеда помочь мне не только понять, сколько лития, меди, кобальта, никеля и других металлов идет на средний электромобиль, но и лучше понять язык электричества. Ахмед, который учился в Бангладешском университете инженерии и технологий, а затем получил докторскую степень в Университете Небраски, управляет аргоннским инструментом BatPaC, который помогает рассчитать материалы, необходимые для накопления энергии в батарее.