Közismert, hogy az alumínium mint fém igen reaktív, tiszta fémes felületén a víz is bomlik a fém oldódása közben. Ugyanakkor az alumínium elterjedt felhasználását víz jelenlétében a felületét védő oxidréteg teszi lehetővé, ami megvédi a további reakcióktól. A lítium esetében hasonló jelenséggel találkozunk. A lítium felületén egy vékony korróziós réteg alakul ki számos vízmentes oldószer jelenlétében. Ez a szilárd elektrolitként működő és az alkalmazott közegtől függően ugyan változatos összetételű, de minden esetben lítiumionok vezetésére képes, stabil réteg (bevett angol nevén solid electrolyte interface, SEI) teszi lehetővé azt, hogy lítiumot elemi formában is beépítsünk áramforrásokba. A fém lítium felhasználása kezdetben ilyen cellákban történt. Az ilyen primer lítiumelemek egyik családját már az 1970-es évektől használták szívritmus-szabályzókban is.

A lítium fémes formában való felhasználása áramforrásokban – nagy reaktivitása mellett – hasonló problémákat vet fel, mint más fémek esetében. Ha ugyanis fémet használunk a galvánelem negatív pólusaként, az a galvánelem felhasználásakor oxidálódik, ami jelentheti az oldódást ionos formában vagy valamilyen szilárd fémsó képződését. A galvánelem töltésekor viszont redukció történik elemi fém képződésével. Noha kémiai értelemben a két folyamat egymás megfordítottja, morfológiai értelemben ez korántsem igaz! A fém ciklikus oldása-kiválása olyan morfológiai instabilitáshoz vezet, amelynek során a fém rendre dendrites formában kezd nőni, azaz tűszerű kristályokként, amik az elektród síkjára közel merőlegesek. A fémes dendriteknek az elektród tömbi részétől messze kinyúló részein a növekedés mind az elektromos áram vezetése, mind az anyagtranszport jobb feltételei miatt erősen preferált. Így a fémtüskék előbb-utóbb elérik a pozitív elektródot, kialakul a rövidzár, és az elem tönkremegy.

Az újratölthető kémiai áramforrások közös problémája, hogy a működés során az elektroaktív anyagokból új fázis képződésekor az elektródnak mind az anyaga, mind a térfogata változik. Ráadásul az új fázisból képződő gócok létrejötte (nukleáció) is többletenergiát igénylő folyamat. Kézenfekvőnek tűnhetne tehát olyan cellaszerkezet kialakítása, amelyben élesen eltérő összetételű és szerkezetű új fázisnak nem kell létrejönnie, megspórolva ezzel a gócképződéssel járó bonyodalmakat. A lítiumion-akkumulátorok mindkét elektródja ezt a folyamatot mintázza.

A történeti sorrendben először felfedezett katódanyagokon (pozitív elektród) a lítiumionok egy atomi rétegeket tartalmazó anyag ezen rétegei közé lépnek be. A pozitív töltésű lítiumionok felvételét a szilárd rétegelt hálózatot alkotó gazdarács valamely változó vegyértékű oxidált fémionjának elektronfelvétele teszi lehetővé, fenntartva ezzel a rendszer elektromos semlegességét. Az első kereskedelmi lítiumion-akkumulátorokban ez a változó vegyértékű fém a kobalt volt, és a Co(III)/Co(II) átalakulás volt az elektródreakció kulcsa. A felfedezés óta számos előrelépés történt nikkelt és mangánt is tartalmazó oxidok alkalmazása érdekében. A különféle vegyes oxidok alkalmazásának feltétele, hogy lítiumban gazdag és szegény formában is ugyanazon kristályszerkezet érvényesüljön, így a kémiai átalakulást fázisátalakulás nem kíséri. Ez részben a memóriaeffektus kiküszöbölésének a kulcsa is, mivel a változatlan kristályszerkezet az elektródnak morfológiai stabilitást nyújt. A jelenséget, amelynek során valamely anyagi részecske egy gazdarács megfelelő atomi méretű üregeibe be tud lépni, és onnan távozni képes a meglévő kötések felbontása nélkül, interkalációnak nevezik.

Az elsőként alkalmazott, reverzibilis módon lítiumiont felvevő rétegelt katód­anyag a titán-diszulfid volt (M. Stanley Whittingham, 1970-es évek). Az ennek segítségével felépített lítiumion-akkumulátor feszültsége még alig haladta meg a 2 V-ot, de az alkalmazott elektródfelépítési elv újszerűségét képes volt demonstrálni. Ennek nyomán indult el az oxid típusú elektródanyagok tudatos fejlesztése, amelyekkel 3 V-nál nagyobb üzemi feszültségű akkumulátorokat lehetett létrehozni (John B. Goodenough, 1980).

A pozitív elektródokkal folytatott kísérletek jóval megelőzték azt, hogy a negatív elektród esetén is interkalációs elven működő anyagot alkalmazzanak. Ennek lehetőségére először Josino Akira (Akira Yoshino) mutatott rá (1985), petróleumkokszot használva a negatív elektródon. A szenet tartalmazó anód megnevezése, bár rejtélyesen és kémiai értelemben pontatlanul hangozhat, lényegében grafitszerű anyagot takar. A grafitban található hatszöges, szénatomokból álló grafénsíkok közé a lítiumionok úgy képesek belépni, hogy közben ezek szénatomjai között a kovalens kötések nem bomlanak meg, csupán a grafénsíkok közötti távolság nő meg. A lítiumionok belépéséhez szükséges töltéskompenzációhoz elektronfelvétel szükséges. A felvett elektronok a grafénsíkok egészén delokalizálódnak – csakúgy, mint a fémekben atomosan oldott hidrogén esetén a hidrogénatom elektronja a fémrácson. Az akkumulátor működése során a grafitszerű szénben interkalált lítiumionok kilépése történik. A szénalapú anódok működéséhez szintén szükséges egy SEI-réteg kialakulása, akárcsak a fém lítium esetén. Ez a réteg az első töltési-kisütési ciklus során alakul ki.

A lítiumionok működésének egyik jellegzetessége az, hogy a működés során az anódból (grafitszerű szén) kibocsátott lítiumionok a katódban (LixCoO2) nyelődnek el. Így a cella működése során a két elektród közötti teret kitöltő közegben nincs összetétel-változás.

Nem véletlen, hogy az interkalációs elven működő első sikeres akkumulátorok lítiumionok transzportjára épültek. A fémionok közül a lítiumion a legkisebb méretű, így beépülése az elérhető legkisebb térfogatváltozással jár. A felfedezés óta a kutatás számos területen folyik. A kutatás egyaránt kiterjed a kedvezőbb interkalációs gazdaanyagok új fajtáinak kifejlesztésére, a szenet tartalmazó fázis interkaláció szempontjából kedvezőbb kialakítására és az elektrolitoldatok ellenállóbb komponenseinek szintézisére. A lítiumionok példája alapján azonban ma már a kísérletek kiterjednek más ionokat interkalálni képes szilárd fázisok kialakítására is. Legfontosabbak ezek között a nátriumion felvételére képes anyagok, tekintettel a nátrium előfordulására. Mivel nagyobb ion esetén a gazdafázis térfogatváltozása mindig nagyobb, az elektródban ébredő mechanikai feszültség a töltési-kisütési ciklusban ugyancsak nő. Ez szükségessé teszi olyan nanofázisú anyagok alkalmazását, amelyekben a feszültség nem jár az elektroaktív anyag részecskéinek esetleges széttöredezésével, azaz nem degradálódik a töltési-kisütési ciklusok során.

John B. Goodenough 1922-ben született, így az idei Nobel-díj odaítélésével ő lett a díj legidősebb kitüntetettje. Doktori fokozatát a Chicagói Egyetemen szerezte 1952-ben. Ezt követően a Massachusetts Institute of Technology munkatársa volt. A díj szempontjából kulcsfontosságú felfedezését az Oxfordi Egyetem professzoraként tette, ahol a felfedezés idején a Szervetlen Kémiai Tanszéket vezette (arra utaló adat nem merült fel, hogy dolgozott-e együtt a szintén itt végzett Whittinghammel). 1986 óta a University of Texas at Austin (Texas, USA) professzora. Ma munkái az elektrokémiai energiatárolás és -termelés változatos területeit ölelik fel, messze túlmutatva a lítiumion-akkumulátorokon.

Josino Akira (szül. 1941) 1972-ben végzett a Kiotói Egyetemen. Ezt követően az Asahi Kasei Corp. cégnél és leányvállalatainál töltött be különféle tisztségeket, és a cégnek máig tiszteleti munkatársa. Karrierje nem követi a szokásos akadémiai pályaívet abban az értelemben, hogy a PhD-fokozatot csak sok évvel az egyetem elvégzése után szerezte meg, 2005-ben, miközben már cége vezető munkatársa volt. Az ipari fejlesztői tevékenység miatt tudományos folyóiratokban alig publikált. 2017-től a Meidzso Egyetem professzora.

Érdekes a díj odaítélésének időzítése is. Nem szokatlan, hogy egy jelenség vagy anyag felfedezését és a Nobel-díj odaítélését évtizedek választják el. Így történt ez a fizikai Nobel-díjakkal számos esetben. Például: az óriás mágneses ellenállás felfedezése (díjazás 2007-ben kb. 17 évvel a felfedezés után), a kék fényt kibocsátó dióda feltalálása (2014-es díj, kb. 20 évvel a feltalálás után), valamint az optikai csipesz kifejlesztése kapcsán (a díj 2018-as, de a felfedezőmunka 1970-ig nyúlik vissza. Minden esetben tetten érhető, hogy a felfedezés tovagyűrűző hatása és annak kiterjedtsége szempont volt a díjazásban.

Így van ez esetünkben is, noha a hivatalos indoklás kissé megtévesztő. Egyértelműen helyes megállapítása a díj indoklásának, hogy a hordozható eszközök és a drótnélküli adatátvitel megvalósítása a hordozható eszközökben a lítiumion-akkumulátorok nélkül ma elképzelhetetlen lenne. Ugyanakkor a fosszilis tüzelőanyagoktól mentes világhoz való hozzájárulás egyelőre legalábbis kérdéses. A hordozható eszközök ugyanis csupán a felhasználás helyén biztosítják a károsanyag-emissziótól mentes működést, miközben az energiafelhasználást összességében növelik. A környezetvédelmi érdek ott érvényesíthető, hogy milyen forrásból tudjuk biztosítani a töltéshez a hálózatból vett energiát – ennek azonban a felfedezéshez magához édeskevés köze van.

Ugyancsak a díjazás időzítésének érdekessége, hogy a lítiumion-akkumulátorok elektromos járművekben való elterjedése nagy ugráson ment át az elmúlt években. A 2010-es évek elejéig egyöntetűen a kisebb elektromos fogyasztási cikkekben való felhasználás dominált, ahol a lítiumion akkumulátorok 3,5 V feletti feszültsége egycellás megvalósítást tett lehetővé a félvezető alkatrészek vezérléséhez. Napjainkban az elektromos járművekben való felhasználás – ahol sokcellás elrendezés szükséges – már megközelíti az eladási érték 50%-át. A közelmúltban pedig megjelent a háztartási tartalék elektromos energiatárolók első olyan kereskedelmi változata, ami a lítiumion technológiára épül. Ez döntően a megújuló, de kiszámíthatatlan periódusokban rendelkezésre álló energiaforrások igény szerinti felhasználásának lehetőségét teremti meg. Ez pedig már valóban a fosszilis energiahordozók kiküszöbölésének irányába mutat.