구디너프는 1980년에 황화물 대신 산화물로 전환하여 4볼트 리튬 캐소드를 만들었다

리튬 배터리는 1970년대 석유 위기에서 시작되었다. 당시 엑손의 M. 스탠리 휘팅엄은 화석 연료 없는 에너지 저장을 모색하다가 이황화 티타늄에서 에너지가 극히 풍부한 캐소드를 발견했는데, 그 분자 층은 리튬 이온을 수용(삽입)한다. 부분적으로 금속 리튬으로 만들어진 애노드와 결합하여 실제 전위는 2볼트를 약간 넘었다. 그러나 금속 리튬은 반응성이 높다. 노벨 위원회의 표현에 따르면 그 배터리는 너무 폭발적이어서 실용화할 수 없었다.

당시 옥스퍼드의 무기화학 책임자였던 존 구디너프는 금속 황화물이 아닌 금속 산화물에 기반한 캐소드가 훨씬 더 큰 전위를 가질 것이라고 예측했다. 고이치 미즈시마, 필립 와이즈먼, P. C. 존스와 함께 체계적인 탐색을 거친 후, 그는 1980년에 리튬 이온이 삽입된 코발트 산화물이 최대 4볼트를 생성할 수 있음을 입증했다. 리튬 금속이 없는 애노드 설계 공간이 열렸고, 이 그룹은 1980년 3월 31일 고속 이온 전도체 캐소드 계열에 대한 미국 특허를 출원했다.

그 캐소드는 2019년 화학상 수상자 두 명이 기반을 세운 토대가 되었다. 1985년 아사히 카세이의 아키라 요시노는 그것을 리튬을 삽입할 수 있는 석유 코크스 탄소 애노드와 결합하여 최초의 상업적으로 실용적인 리튬 이온 전지를 생산했고, 1991년부터 시장에 출시되었다. 화학 반응이 전극을 분해하는 대신 리튬 이온을 앞뒤로 이동시키기 때문에 배터리는 수백 번 충전된다. 그리고 그것은 이제 휴대폰, 노트북, 전기 자동차, 재생 에너지 저장 장치에 전력을 공급한다. 노벨 위원회는 이를 무선, 화석 연료 없는 사회의 토대라고 불렀다.

황화물이 아닌 산화물 캐소드: 2볼트 대신 4볼트

산화물의 더 높은 전기 음성도는 캐소드 전위를 약 4볼트로 높여, 리튬 금속 애노드 문제에 아무런 변화 없이 황화물 설계보다 에너지 밀도를 약 두 배로 높였다.

삽입 구조는 이온 삽입과 제거를 견디므로 캐소드는 소모품이 아니라 재충전 가능하다. 즉 배터리는 열화되는 대신 순환한다.

체계적인 재료 탐색은 이론에 기반했다. 구디너프는 먼저 결정 화학에서 산화물의 우위를 예측한 후 코발트 산화물을 시험했으며, 무작위로 선별하지 않았다.

특허의 저온 전기화학적 추출 경로는 고온 합성으로는 도달할 수 없는 조성을 만들어, 안정성 문제를 제조 방법으로 전환했다.

구성 요소가 실패할 때는 부품이 아니라 재료 등급을 의심하라. 화재는 리튬 금속 탓으로 여겨졌지만, 실제 문제는 캐소드 화학에 있었다. 그것을 바꾸면 개념은 살아남는다.

요시노의 1985년 탄소 애노드 전지는 구디너프의 캐소드를 직접 기반으로 했고 1991년 시장에 출시되었다. 리튬 이온 배터리는 이후 전 세계 휴대용 전자 제품에 전력을 공급하고, 장거리 전기 자동차를 가능하게 하며, 태양광과 풍력 에너지를 저장하게 했다. 2019년 화학상은 전압을 두 배로 높인 재료 대체의 토대에 대한 공로로 구디너프, 휘팅엄, 요시노에게 공동 수여된 드문 노벨상이었다.