Дан старт роуд-шоу лауреатов премии «ВЫЗОВ». Первым 14 апреля в Новосибирске выступил российский химик Евгений Антипов, удостоенный награды в номинации «Прорыв» за разработку перспективных материалов для аккумуляторов нового поколения. Читатели Наука Mail имеют возможность узнать об этой разработке из первых уст.
Как создаются принципиально новые материалы
Ключевым элементом создания принципиально новых материалов является установление взаимосвязи между химическим составом и физико-химическими свойствами. Какие основные требования, когда речь идет о металл-ионных аккумуляторах? Естественно, что химическое соединение должно иметь относительно небольшую массу и вместе с тем высокую энергоемкость. Наши исследования как раз направлены на то, чтобы создавать принципиально новые материалы, сочетающие такие свойства. А еще на поиск новых технологических решений для того, чтобы затем переходить к производству этих материалов.
Что касается сроков, когда наши разработки войдут в массовое производство — это зависит от компаний, которые могут осилить масштабное производство материалов. Я надеюсь, что наша разработка заинтересует инвесторов, которые будут строить заводы под производство наших материалов. Сейчас мы производим их на базе Сколковского института науки и технологий, объем измеряется тоннами. Это, конечно, капля в море.
Да, у нас пока нет большого производства, но есть области применения, где и не требуются огромные объемы, а требуются какие-то специфические материалы. Например, производство роботов или аэрокосмическая отрасль. Мы, например, сотрудничаем с компанией, которая делает аккумуляторы для космоса. Мы поставляем наши материалы и получаем хорошие отзывы об их характеристиках.
Если говорить про другие отрасли, в которых такие материалы могут применяться — их огромное количество. Когда мы разрабатывали технологию получения слоистых катодных материалов, мы, конечно, ориентировались в первую очередь на мобильную портативную электронику для применения в электромобилях, чтобы обеспечивать, например, бОльшую длительность пробега на одной зарядке. Когда речь идет о стационарных накопителях энергии для применения, например, в энергетике, то здесь важно уделять внимание уже не удельной энергоемкости, а сроку эксплуатации таких накопителей — важно, чтобы он был как можно дольше. Другой ключевой фактор — безопасность.
Время натрий-ионных аккумуляторов
У натрий-ионных аккумуляторов есть целый ряд очень важных преимуществ по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Это не только лучшие мощностные характеристики, но и, например, цена. Калий и натрий — это одни из них наиболее распространенных элементов земной коры, поэтому прогнозируется более низкая цена для таких аккумуляторов.
Второй момент — в натрий-ионных аккумуляторах можно использовать в качестве токосъемника алюминиевую фольгу на аноде, а не медную, как в случае литий-ионных аккумуляторов. И это будет обеспечивать возможность хранить такой аккумулятор при полном разряде. То есть когда он разряжен, он не будет подвергаться химической деградации, как происходит в случае с литий-ионным аккумулятором.
Мы ведем разработку совместно с Артемом Абакумовым. Он часто говорит обо мне как о своем учителе. Но должен сказать, что в нашем научном коллективе мы работаем абсолютно на равных.
Я восхищаюсь работоспособностью и креативностью Артема Михайловича, во многих исследованиях он делает очень интересные шаги. Сейчас у нас уже нет ощущения «учитель-ученик», мы просто коллеги, которые работают вместе над решением актуальных проблем. Например, я руководил большим проектом, Артем был ответственным исполнителем в моем проекте. Сейчас Артем руководит другим крупным проектом, и я являюсь ответственным исполнителем.
Безопасность или энергоемкость
Причина взрывов аккумуляторов и трагических последствий, если мы используем оксидные, слоистые материалы, во внешних или внутренних воздействиях — например, может случиться внутреннее короткое замыкание. Температура внутри аккумулятора повышается, и катодный материал разлагается с выделением кислорода внутри этого аккумулятора. Кислород — это очень сильный окислитель, он вступает в химическое взаимодействие с органическими компонентами аккумулятора, и происходит очень сильная экзотермическая реакция с тепловыделением, взрывом, пламенем. Поэтому один из способов повысить безопасность — это выбор катодного материала, который не выделяет кислород при повышенных температурах в заряженном состоянии.
Как это достигается? За счет того, что кислород связывается, например, с фосфором, тогда кислород очень прочно удерживается фосфором и не выделяется при повышенных температурах в заряженном состоянии с катодного материала. И это, естественно, существенно повышает безопасность аккумуляторов. Есть и другие методы — например, добавление специальных органических добавок в электролиты, так называемых пламя-гасителей, которые замедляют цепную реакцию теплового разгона и также обеспечивают бОльшую безопасность.
Бывает, что причина роста температуры — это внутреннее короткое замыкание, когда щелочной металл, будь то литий или натрий, при низких температурах или при очень больших скоростях токов заряда не успевает внедриться в анодный материал, а образует металлические выделения на поверхности электрода, так называемые дендриты, иголочки, которые прорастают, они достигают катода и протекает ток с большим тепловыделением. Один из методов этого избежать — выбирать такой анодный материал, который будет иметь существенно более высокий потенциал по отношению к щелочному металлу. В этом случае удастся предотвращать образование этих дендритов и внутреннего короткого замыкания, а значит, такие аккумуляторы будут более безопасны. Но какова цена этого? Будет существенно меньше энергоемкость.
Что мешает созданию в России новой отрасли промышленности
Заводы по производству аккумуляторов сейчас строятся очень быстрыми темпами. Уже в конце 2025 и в 2026 году будут запускаться гигафабрики. Но пока все материалы для них, а там много разных типов материалов, планируется завозить из-за рубежа. И, естественно, это создает определенные риски. А вдруг нарушатся поставки или изменится тип материала?
Все это может не лучшим образом влиять на качество производимых аккумуляторов. Поэтому пока мы не будем производить собственные материалы, передовые материалы с высокими энергетическими характеристиками, пока у нас не будет достаточно компетенций в этом внутри страны, у нас не будет создана новая отрасль промышленности — металл-ионные аккумуляторы. Наша разработка, наши материалы — это важный шаг в сторону решения этого вопроса, хотя впереди, конечно, еще очень большой путь. Ведь о массовом производстве наших материалов пока говорить нельзя.
При этом я уверен, что нам необходимо организовывать собственное производство ключевых материалов в России: это катодные материалы, анодные материалы, полимерные связующие, токосъемники, корпуса для аккумуляторов. Нам необходимо создать это производство в нашей стране. Если оно появится, тогда мы можем говорить о том, что мы делаем отечественные материалы, отечественные аккумуляторы на основе российских разработок материалов.
Ну и второй необходимый элемент — это кадры. У нас очень мало научных коллективов, которые заняты этой темой — литий- или натрий-ионных аккумуляторов. А научные коллективы должны обеспечивать научное сопровождение любого производства. На мой взгляд, будет правильно, если появятся специальные программы подготовки кадров для этой отрасли промышленности как в системе высшего образования, так и на уровне среднего образования. Должна быть специальная подготовка магистров, аспирантов по специальности «металл-ионные аккумуляторы».
Если мы сравниваем с Китаем, например. Китай производит научной продукции по этой теме, научных статей, по меньшей мере, в 50 раз больше, чем Россия. Хотя по населению разница менее чем в 10 раз.
Натрий не альтернатива литию, а его дополнение
Очень стремительно сейчас растет производство литий-ионных аккумуляторов в мире. Литий не случайно называют новой нефтью. К 2030 году этот рынок уже будет исчисляться 500−800 миллиардами долларов, исходя из оценок роста производственных мощностей. И естественно, в такой ситуации требуется большое количество лития. Лития на самом деле не так мало, но проблема в себестоимости извлечения лития, производства гидроксида лития, либо карбоната лития. Я бы сказал так, что ресурсы относительно дешевого лития ограничены. Есть достаточно большие запасы алюмосиликатов лития, но у них более дорогостоящий процесс извлечения.
По поводу натрий-ионных аккумуляторов существует такое упрощенное представление: что натрия много, а лития намного меньше, поэтому один может заменить другой. Но все же у этих видов аккумуляторов — натрий-ионных и литий-ионных — несколько разные сферы применения. Где-то они, конечно, пересекаются, например, в бюджетных электромобилях. Но, например, в стационарной энергетике я вижу будущее именно за натрий-ионными аккумуляторами, потому что в них можно ожидать более низкую стоимость запасаемой энергии, более высокие мощностные характеристики, более толерантное отношение к низким температурам. Я бы сказал, что натрий-ионные аккумуляторы — это не альтернатива литий-ионным, а, скорее, удачное дополнение.
Какие аккумуляторы нас ждут в будущем
Во-первых, будет постоянно идти совершенствование соединений, новые соединения будут появляться в материалах. Будут постоянно улучшаться характеристики и литий-ионных аккумуляторов, и натрий-ионные аккумуляторов, будет расти их энергоемкость. Ну, например, если сейчас считается нормальным для литий-ионных аккумуляторов показатель 280 ватт-час на килограмм, то совершенствование такое пошаговое позволит достичь 350 ватт-час на килограмм. Натрий-ионные аккумуляторы, которые сейчас имеют 140−150 ватт-час на килограмм, наверняка выйдут на 200 ватт-час на килограмм. А переход на твердотельный электролит, который будет существенно более безопасен по сравнению с жидким электролитом, который используется в традиционных аккумуляторах, позволит приблизиться к рубежу 400, и, в перспективе, 500 ватт в час на килограмм. Это тот самый ожидаемый прогресс. Я думаю, что на горизонте 10−15 лет он точно будет достигнут. Мы будем иметь твердотельные аккумуляторы, которые имеют очень высокие энергетические параметры. И при этом они будут достаточно безопасны.
Органические батареи — одно из перспективных направлений, где в качестве электродных компонентов, электродных материалов используются так называемые электроактивные полимерные материалы и органические материалы. Они могут и наверняка найдут применение в качестве анодного материала, но не думаю, что они могут заменить катодный материал. Такие материалы, как правило, на массу могут демонстрировать очень привлекательные характеристики, а на единицу объема крайне непривлекательные. То есть аккумуляторы будут легкие, но очень большие. Ну представьте, что ваш смартфон будет в три раза толще, чем сейчас.
Совершенно точно натрий-ионные аккумуляторы займут существенное место на рынке. В Китае уже есть гигафабрики, производящие натрий-ионные аккумуляторы. Они вытеснят свинец-кислотные аккумуляторы, рынок которых сейчас — это десятки миллиардов долларов.
Сегодня в мире проводят много исследований с цинк-водными аккумуляторами, так как они дешевые, и в них используется водный электролит, а это существенно более безопасно. Но удельная энергия, которая достигается в таких аккумуляторах, не превышает 70 ватт в час на килограмм. Но и у них тоже есть уже свои рынки, где они могут быть востребованы. Сейчас появляются стартапы, и даже уже есть производства этих цинк-ионных аккумуляторов на водной основе.
Наука ─ это творчество
Если говорить о том, какие навыки нужны молодым ученым, чтобы работать на переднем крае энергетических технологий, то, во-первых, это желание. Во-вторых, работоспособность. В нашей работе надо проводить много экспериментов, большое количество времени приходится работать руками. Без трудолюбия тут ничего не достигнешь.
Третье — конечно, надо обладать очень хорошими знаниями, причем в разных областях химии. Это и электрохимия, и неорганическая химия, и органическая химия, и полимерная химия, и физхимия. Если молодой ученый интересуется только какой-то узкой областью химии, скорее всего, он будет выполнять техническую работу, а не творческую. А наука — это творчество, в котором надо выходить за рамки уже известного, искать что-то новое. В науке нет такого понятия «я сделал впервые в стране» или «впервые в МГУ», или «впервые в Сколтехе». В науке есть одно понятие — «я сделал впервые в мире».
Шоу, пробуждающее интерес к серьезной науке
Я очень благодарен научному комитету премии «ВЫЗОВ» за высокую оценку моей работы, потому что на самом деле эта премия была для меня большой неожиданностью. И меня просто поразила церемония вручения премии. Это было великолепное шоу, которое проходило в московском Манеже, церемонию показали на Первом канале. В ней участвовали известные деятели искусств — актеры, музыканты. И эта церемония привлекла внимание очень широкой публики, никак не связанной с наукой. Я считаю, что это очень важно. После церемонии многие, даже малознакомые и совсем незнакомые люди спрашивали меня, в чем заключается моя работа, просили рассказать про мои исследования. Я считаю, что это очень сильная сторона премии «ВЫЗОВ» — такое яркое представление лауреатов и их достижений, привлечение внимания СМИ, широкой общественности.
После церемонии вручения премии я почувствовал повышенное внимание и со стороны журналистов, и со стороны потенциальных инвесторов. У меня сейчас очень много рабочих встреч, интервью. И это, конечно, очень важно для того, чтобы мы в конечном итоге смогли сказать, что у нас появилась в стране новая отрасль промышленности, связанная с металл-ионными аккумуляторами.
