Президентская программа
исследовательских проектов

Это вам не батарейки. На накопителях энергии держится вся бытовая электроника

Источник: Alan Levine // Flickr

В мире вокруг них бушуют нешуточные страсти. А мы, потребители портативной электроники, и знать об этом не знаем. Главное для нас, чтобы перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, а речь пойдет именно о них, были безотказны. Да служили как можно дольше в наших сотовых телефонах, компьютерах и  диктофоне, на который я, корреспондент «Поиска», записываю интервью с заведующим кафедрой электрохимии химического факультета МГУ член-корреспондентом РАН Евгением Антиповым.

- На неприметных устройствах - накопителях энергии - держится гигантский рынок бытовой электроники, - говорит он. - Сам мировой рынок литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) оценивается в несколько десятков миллиардов долларов в год. Он постоянно растет и трансформируется: если в 2011 году доля батарей для потребительской электроники составляла 86%, то сегодня - около 50%. Остальное распределено между быстро увеличивающимися сегментами электротранспорта, энергетики, промышленных роботов и установок. Все развитые страны борются за то, чтобы ЛИА стали более энергоемкими, долгоиграющими, а также дешевыми и экологически безопасными. В соревнование включился Российский научный фонд и выделил химфаку МГУ большой четырехгодичный грант на научные разработки в этой сфере. Цель - развитие следующего поколения аккумуляторов - натрий-ионных.

Краткий экскурс в историю. Первыми массовыми аккумуляторами считаются свинец-кислотные, но их энергоемкость (количество энергии на единицу массы) невысока, к тому же они обладают малым ресурсом и создают ряд экологических проблем. Кстати, в конце XIX - начале ХХ веков большой популярностью пользовались электромобили, работавшие на таких аккумуляторах. Они появились даже раньше своих бензиновых собратьев, но из-за короткого пробега и сложной системы подзарядки были обречены на вымирание. И уступили место постоянно совершенствующимся машинам с двигателями внутреннего сгорания. Тем не менее сами аккумуляторы постоянно улучшались. Долгое время были популярны никель-кадмиевые и никель-металлгидридные, чья энергоемкость превышала показатели свинец-кислотных. Отмечу, что все это время аккумуляторы работали на водных электролитах (растворы кислот, щелочей или солей). Потом на смену воде пришли органические растворители, способные выдерживать напряжение около 4 вольт. Первые катодные материалы для литиевых источников тока ученые предложили в 70-80-х годах прошлого века. Анодом в них служил металлический литий. История же литий-ионных (не путать с литиевыми) аккумуляторов насчитывает всего около 30 лет: в 1990 году удалось добиться обратимой интеркаляции лития в структуру не только катодного материала, но и анодного - графита - и уже через год компания Sony освоила серийный выпуск ЛИА.

Сегодня, спустя век после господства электромобилей на свинец-кислотных аккумуляторах, мы наблюдаем обратный процесс: двигатель внутреннего сгорания шаг за шагом уступает электродвигателям с литий-ионными аккумуляторами. (В Пекине, например, обычный автомобиль купить уже трудно -  для этого необходимо участвовать в лотерее с очень низкой вероятностью выигрыша.) Причина - в развитии технологии ЛИА. Их удельная энергия на единицу массы в пять-шесть раз превосходит предшественников - свинцово-кислотные аккумуляторы. Значит, во столько же раз увеличивается и пробег; кроме того, повышается экологическая безопасность. К тому же КПД бензинового двигателя составляет не более 25%, а электромобиля - свыше 90%. Гигантское преимущество! Тем не менее для окончательного перехода на электротранспорт необходимо дальнейшее развитие отрасли.

Проблемой совершенствования металл-ионных аккумуляторов в мире занимаются, без преувеличения, сотни тысяч специалистов. Главная их цель - повысить энергоемкость накопителей энергии и поставить разработки на поток. Уже есть аккумуляторы с энергоемкостью в 270-280 ватт-час на килограмм. А «рекордсмены» скоро преодолеют планку в 300 ватт-час/кг. Одновременно решается и задача увеличения срока службы аккумуляторов, чтобы они работали без значимой деградации емкости не менее 5-7 лет (правда, зачастую для этого приходится жертвовать энергоемкостью). Также требуется повышенная безопасность, исключающая любую возможность возгорания и взрыва. А в российских условиях еще и работоспособность при низких температурах и, само собой, низкая стоимость.


Источник: Газета «Поиск»

- Как в этой области обстоят дела в нашей стране?

- Неважно. В 2017 году импорт литий-ионных батарей для бытовой электроники составил 85,1 миллиона долларов при темпе роста потребления около 15-25% в год. В гражданском секторе доля отечественных изготовителей - менее 3%. В основном они представлены в военной и аэрокосмической отраслях. По количеству статей, посвященных разработке современных накопителей энергии (прямое свидетельство научного потенциала ученых страны в данной отрасли), мы уступаем заметно - всего 1% от мирового показателя (по всем направлениям науки  - в среднем 2,12%,). Показатель индекса Хирша ученых США только в этой области (что говорит о востребованности результатов мировым научным сообществом) достигает суммарно более 200 единиц, Китая - свыше 150, Франции - порядка 110, нашей страны - приблизительно 20. Получается, к сожалению, что этому направлению науки и техники в РФ уделяется недостаточное внимание. Надо отдать должное Российскому научному фонду - он включил эту область в специальную Президентскую программу. Поддержанные в ее рамках проекты должны не только вносить существенный вклад в развитие науки, но и создавать задел для решения задач «больших вызовов», обозначенных в Стратегии научно-технологического развития России. В рамках этой программы наша группа исследователей получила грант в размере 30 миллионов рублей на год  продолжительностью в четыре года. Он предусматривает разработку новых материалов для электрохимических накопителей, подчеркну, следующего поколения. 

- Почему фонд предоставил столь внушительный грант университетской кафедре?

- Потому что РНФ поддерживает направления, которые очень важны для технологического развития страны. К ним относится, повторюсь, и создание передовых накопителей энергии. Советские ученые внесли немалый вклад в их развитие. Скажем, в середине прошлого века в нашей стране действовала мощная научная школа выдающегося электрохимика академика А.Фрумкина. Работы его учеников, без преувеличения, помогли осуществить запуск первого спутника и полет Ю.Гагарина. В то время отечественная электрохимия находилась на высочайшем уровне. Думаю, фонд решил помочь возрождению и развитию этой важной области и выделил нам грант, чтобы поддержать коллектив, на мировом уровне ведущий фундаментальные и прикладные исследования.

Сегодня без опасений скажу: проект осуществим. Об этом можно судить, например, по откликам на наши первые публикации в ведущих зарубежных журналах. Наша группа была в числе тех передовых коллективов, кто активно перешел к созданию более эффективных и перспективных натрий-ионных накопителей энергии. В них натрий, находящийся на шестом месте по распространению в земной коре, заменит дорогостоящий литий, чьи запасы в нашей стране хотя и велики, но его добыча - дело достаточно трудоемкое. К тому же в качестве токосъемника на аноде в натрий-ионных батареях будет применяться более дешевый алюминий, заменивший дорогостоящую медь (в ЛИА). На данный момент у натриевого аккумулятора есть свой недостаток: удельная энергия на единицу массы у него ниже, чем у литий-ионного предшественника, но эта проблема решаемая.

Помимо чисто научной значимости натрий-ионные аккумуляторы - перспективная коммерческая технология, интерес к ней уже проявляет ряд российских компаний. Присутствие индустриального партнера - кстати - обязательное условие для получения гранта Президентской программы. Именно соединение фундаментальной и прикладной науки придало ценность проводимым нами исследованиям и послужило основанием для положительного решения рецензентов фонда.


Фото: Евгений Антипов. Источник: elch.chem.msu.ru

Достоинство гранта РНФ в том, что междисциплинарный проект объединяет ученых самых разных направлений: не только химиков и физиков пяти кафедр химфака МГУ и Сколковского института науки и технологий, но и инженеров, технологов. Всем вместе нам предстоит разработать высококачественный катодный материал и электролит (он может быть и жидким, и твердым), а также анодный материал. Считаю, что за два оставшиеся года на основе наших исследований и полученных материалов прототип мы сделаем обязательно. Говорю это уверенно, поскольку у нас уже есть целый ряд многообещающих наработок. Теперь необходимо понять, какими достоинствами и недостатками обладает наша «новорожденная» электрохимическая система. Можно ли эти достоинства развить, а от недостатков избавиться? Сделать новинку максимально работоспособной и в то же время предусмотреть возможность дальнейшего ее совершенствования. 

Грант, выданный на четыре года, заканчивается в 2020-м, но есть перспектива продлить его еще на три года. Работы по проекту идут по плану, как и публикации статей. Мы проводим школы для молодых исследователей со всей страны. Кстати, молодых ученых у нас, говорю это с гордостью, почти 20, а всего группе 30 человек. И есть все основания рассчитывать, что наша молодежь останется в отечественной науке.

- На каком уровне находятся ваши исследования?

- Главное - они конкурентоспособны. Сужу об этом по ведущим иностранным журналам, в которых мы публикуемся (взять хотя бы Journal of the American Chemical Society (JACS) с импакт-фактором более 14), по выступлениям с приглашенными докладами на престижных международных конференциях. А за два оставшиеся года мы продвинемся еще дальше. 

Возврат к списку