Как в России разрабатывают аккумуляторы будущего Репортаж из лаборатории Сколтеха

Главное здание Сколковского института науки и технологий похоже на огромную шайбу, пронизанную коридорами, открытыми офисными пространствами и вместительными холлами. Обилие света помогает сконцентрироваться на непростых академических выкладках. Но если в теории «плаваешь», всегда можно спуститься этажом ниже и увидеть передовую науку своими глазами. Руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха Артем Абакумов открывает дверь Лаборатории катодных материалов и предупреждает, что здесь лучше без спроса ничего не трогать и не нюхать, особенно если это открытая склянка с любопытным порошком.

Хитрые прекурсоры

Открытых склянок здесь, впрочем, не наблюдается. Вместо них — ​оборудование промышленного вида, с помощью которого реализован полный цикл производства катодных материалов для ­литийионных* аккумуляторов (разумеется, в опытных масштабах). По левую руку от входа расположены реакторы идеального смешения — ​блестящие цилиндры из нержавейки. В этих устройствах при строго определенной температуре и скорости смешивания три раствора соединяются, чтобы в осадок выпали кристаллы нужного вещества. Более корректный термин — ​агломераты. Так называют не отдельные кристаллы, а их ­связанную массу.

Получившийся прекурсор катодного материала необходимо высушить и обжечь. Для этого есть сушилки и печи. Попутно в катодный материал вводится литий. На каждой стадии опытного производства проводится анализ — ​например, в спектрометре, где пробу катодного материала испаряют, чтобы определить точный химический состав.

Готовый катодный материал после того, как он подтвердил свои свойства в лаборатории, можно опробовать в аккумуляторной ячейке. Для этого в Центре энергетических технологий есть полноценная производственная линия, способная выпускать готовые к эксплуатации аккумуляторные «шоколадки» распространенных типоразмеров. Из них, в свою очередь, можно собирать экспериментальные батареи и испытывать их в самых разных условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации.

* В 6-м издании «Русского орфографического словаря» под редакцией В. В. Лопатина и О. Е. Ивановой зафиксировано слитное написание слова «литийионный». Не беремся оспаривать словарь, хотя дефисное написание нам нравилось больше. — ​Прим. ред.

Гибкость лабораторного производства позволяет оперативно вносить изменения в процесс на любой его стадии. Ученые экспериментируют на уровне не только инженерных решений, но и фундаментальных принципов строения вещества. Задача исследователей — ​перехитрить природу.

Артем Абакумов, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха:

Как повысить объемную плотность энергии в аккумуляторной ячейке без изменения ее размеров и архитектуры? Частицы катодного материала нужно упаковать плотнее, придав им форму сферы. В природе кристаллы растут в виде правильных полиэдров, например октаэдров, которые плохо пакуются, потому что их вершины упираются в грани друг друга. Чтобы заставить кристалл вырасти в форме сферы, нужно „обмануть“ природу. Грани характеризуются определенной энергией, и кристалл растет в том направлении, где энергия максимальна. Чтобы получить сферу, мы должны сделать разные грани примерно равными по энергии. А как это сделать? Мы знаем химические параметры, от которых зависит энергия граней. Знаем, на какие из них мы можем повлиять в технологическом процессе, а на какие — нет. Следовательно, можно рассчитать условия для роста кристаллов так, чтобы они получались примерно сферическими. Это один из уже запатентованных методов, которые мы разработали в лаборатории

Кто в ячейке главный

Катодные материалы — ​основное направление исследований в области аккумуляторов и сопутствующих технологий. От их свойств в наибольшей степени зависят характеристики батарей. Это не означает, что для анода, электролита и сепаратора, остальных ключевых элементов химических источников тока, ничего нового нельзя придумать. Совсем наоборот, с ними также связаны многие инженерные и научные прорывы. Но их вклад в итоговую энергетическую плотность, стоимость и прочие характеристики аккумуляторной ячейки, критически важные для ее практического применения, существенно меньше.

Среди всего множества опробованных учеными катодных материалов для литиевых аккумуляторов лишь три типа стали массовыми. Первый — ​сложные оксиды никеля, марганца и кобальта (NMC), второй — фосфат железа-лития (LFP) и третий — литий­марганцевая шпинель (LMO). Все прочие комбинации химических элементов, даже если дошли до хоть сколь-нибудь крупного промышленного производства, остались нишевыми продуктами для ограниченных сфер применения. Виной тому либо их высокая стоимость, либо выигрыш в одной важной характеристике в ущерб всем остальным.

Вышеописанная троица — ​NMC, LFP и LMO, — ​оказалась наиболее удачной по совокупности своих качеств, и каждый из этих типов занял свою долю рынка. Литийникельмарганецкобальтовые аккумуляторы обеспечивают сравнительно высокую плотность энергии и при этом не слишком дорогие. Их применяют в электротранспорте, дорогой электронике и накопителях энергии. Их предшественник — оксид лития и кобальта (LCO) — до сих пор встречается в электронике, игрушках и небольших накопителях. Литийжелезофосфатные ячейки лучше прочих работают при повышенной или пониженной температуре и безопаснее при перегреве или разрушении, чем остальные распространенные типы. Это делает их незаменимыми для электромобилей, беспроводного инструмента и средств индивидуальной мобильности. Ну а литиймарганцевые батареи дешевы, более устойчивы к воздействию высоких температур, но имеют невысокую плотность энергии.

Артем Абакумов, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха:

Существует стереотип, что литийионные аккумуляторы — ​это хорошо известная и давно изученная технология. Это не так. Материаловедение, прикладная физика, химия — ​науки, которые прямо сейчас понемногу улучшают эти самые „обычные литийионные аккумуляторы“. И за прошедшие пятнадцать лет удельная плотность энергии в массовых батареях утроилась. Катодный материал, равно как и сам литийионный аккумулятор, — ​это изделие, которое характеризуется не одним, а целым набором параметров. Для того чтобы аккумулятор пошел в реальную жизнь, нельзя улучшить какой-то один параметр, но при этом пожертвовать другим. А вот материалов, которые имеют приемлемые сочетания всех параметров, очень мало. И здесь нет ничего удивительного, периодическая система для катодных материалов невелика. Нужны как можно более легкие, дешевые, доступные в плане получения сырья и готовые делиться электронами химические элементы. Если так посчитать, то остаются никель, марганец, кобальт, железо, еще, может быть, ванадий и титан. Все остальное либо дорого, либо слишком тяжело

Да здравствует король!

Возможно ли, что литий со временем сдаст позиции? Безусловно; вопрос в том, когда и насколько радикальными будут перемены. По совокупности характеристик сложные оксиды лития

и переходных металлов пока вне конкуренции. Тем более что за ними, несмотря на многие годы совершенствования технологических процессов, кроется большой потенциал по улучшению характеристик. По словам Артема Михайловича, материалы на основе NMC и LFP — ​наиболее перспективные направления развития катодных материалов для литийионных аккумуляторов. Виной всему ограничения химии, физики и, что немаловажно, экономики. Но это не отменяет необходимости постоянно изучать самые экзотические варианты для расширения научной картины «батарейного мира».

Если новый «король электрохимии» будет найден, это будет лишь начало пути. Состав, продемонстрировавший революционные показатели в лаборатории, получит шанс оказаться в полномасштабном производстве и стать основой более совершенных батарей. Именно на этом этапе спотыкаются почти все инновационные разработки, которыми хвалятся энергетические стартапы. От создания новой технологии до ее полноценного внедрения проходят как минимум годы, а порой даже десятилетия.

Артем Абакумов, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха:

Это нормальное время для вывода продукта на рынок. Абсолютно новый материал идет до массового потребителя 15–20 лет, скромные пять-семь лет возможны только для инкрементного улучшения уже известных материалов. Например, изобрели мы в лаборатории какой-то новый „суперлитийжелезофосфат“. Чтобы его вывести на рынок, надо масштабировать технологию его производства: из 100 килограмм в год сделать 10  000 тонн, которые требуются индустрии. За один шаг между такими объемами не перескочить, придется пройти все стадии масштабирования. Создать или модифицировать оборудование, опробовать техпроцесс, понять, как сделать следующий шаг; все это воплотить в конструкторской, технической и рабочей документации, сделать в металле, провести эксперименты. Причем на каждом шаге количество вещества в каждом опыте увеличивается, следовательно, вырастает стоимость таких экспериментов и их длительность. И никуда от этого не деться — ​это дорогостоящий и длительный процесс

Читайте также, что такое литий и как его применяют: