Не просто батарейки

Без этих устройств современные гаджеты были бы совсем иными: менее компактными, менее мощными и не столь долгоживущими. Стоит отметить, что Джон Гуденаф — ныне профессор Техасского университета в Остине — в возрасте 97 лет стал самым старым нобелиатом, побив рекорд Артура Эшкина, установленный в прошлом году.

«Выбор Нобелевского комитета — более чем достойный, и мы просто рады, что наконец-то этой группе ученых дали Нобелевскую премию, — сказал “Стимулу” заведующий кафедрой электрохимии МГУ профессор Евгений Антипов. — Это абсолютно ожидаемая награда. “За что?” — такой вопрос не задается. Открытие аккумуляторов, которые все мы с вами широко используем и будем использовать ещё больше, реально изменило нашу жизнь».

Технология для многомиллиардных рынков

Евгений Антипов, сотрудничавший с нобелевскими лауреатами, пояснил их вклад в развитие науки. По словам ученого, Уиттингем в 1970-е годы показал возможность обратимой интеркаляции лития, то есть внедрения-извлечения лития в слоистых сульфидных материалах переходных металлов. Эти сульфидные материалы — в отличие от кислотных аккумуляторов, где вещества преобразуются, растворяются, — работают без изменения кристаллической решетки. В них изменяется концентрация ионов лития и, соответственно, количество электронов в зоне проводимости, а также степень окисления переходного металла. Уиттингем показал принципиальную возможность работы этой технологии, но характеристики были невысокими, сопоставимыми со свинец-кислотными аккумуляторами. Индустрии не было смысла идти по новому пути.

А Джон Гуденаф в 1980-е, работая с командой в Кембридже, показал, что для извлечения-внедрения лития можно использовать сложный оксид кобальта и лития LiCoO₂. И его фундаментальная работа (она так и называется — «LiCoO₂ как катодный материал для литий-ионных аккумуляторов с высокой удельной энергией» (то есть на единицу массы можно накапливать гораздо большую энергию) — во многом и задала направление работ. Но без пары, без анодного материала, который обеспечивал бы устойчивую работу катодного, аккумулятор не появился бы. И вот японский коллега предложил углеродный материал, в который можно так же обратимо внедрять литий и извлекать его.

«Первый показал принципиальную возможность, второй показал пригодность соединения LiCoO₂ для этих целей, а третий коллега нашел “супружескую пару”, которая как раз и использовалась потом в коммерческом продукте компании Sony с 1991 года, — рассказывает Евгений Антипов. — И сейчас это миллиарды устройств, много миллиардов. Стремительно развивается рынок электромобилей, идет развитие возобновляемой энергетики, создаются новые солнечные элементы, ветряные генераторы. Они выдают много энергии, которую надо где-то быстро сохранить. И вот литий-ионные аккумуляторы позволяют это сделать. Они работают в широком диапазоне температур, практически не теряют заряд, при этом могут быть компактными. Это поменяло современную энергетику, транспорт, даже рыбацкие лодки уже работают на литий-ионных аккумуляторах. Это поменяло во многом нашу жизнь»

Но эти ученые еще и заложили фундаментальные знания, которые определили развитие современной науки, и поэтому их открытия имеют не только прикладное значение.

«Я знаю Стена Уиттингема и хорошо достаточно — Джона Гуденафа, — говорит Евгений Антипов. — Джон приезжал по нашему приглашению в МГУ, читал лекции, общался с молодежью, с нами. Это гениальный человек. Он создал целое направление в науке. Не просто литий-ионные аккумуляторы, а современную химию твердого тела, которая объясняет, почему то или иное химическое соединение проявляет те или иные физические свойства, например магнетизм — правила Гуденафа—Канамори, сверхпроводимость и так далее».

Как обстоят дела в России

«Мы все широко используем литий-ионные аккумуляторы, покупаем смартфоны, компьютеры, скутеры, электромобили, но серьезного производства у нас, к сожалению, нет, — сетует Евгений Антипов. — А это крайне важно для страны. В частности, в стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, которую подписал президент, отдельно прописана важность развития электрохимических накопителей энергии: без них невозможен электротранспорт, невозможна возобновляемая энергетика, и поэтому нам необходимо это развивать».

В 1950–1970 годы прошлого века в России были серьезные ученые в этой области, в частности академик Александр Фрумкин — знаменитый электрохимик. Многие его теоретические работы легли в основу создания сегодняшних химических источников тока, причем не только литий-ионных. Но этап коммерциализации этих разработок пришелся в основном на 1990-е годы, а это был, как известно, крайне тяжелый период для российской науки. Тем временем во всем мире перевод технологии производства литий-ионных аккумуляторов на коммерческие рельсы шел полным ходом.

Первую попытку создания масштабного производства литий-ионных аккумуляторов нового поколения для энергетики и электротранспорта в России предприняла корпорация «Роснано». В декабре 2011 года в рамках проекта был запущен завод «Лиотех» — крупнейшее в мире предприятие по производству Li-Ion-накопителей энергии. Но проект этот, к сожалению, чуть не погиб и пока далек от успеха (подробно кейс «Лиотеха» будет разобран в рамках нашего спецпроекта «Инновации: разбор полетов»).

Сейчас на базе Сколтеха действует Центр по электрохимическому хранению энергии, он был создан совместно с Массачусетским технологическим институтом и МГУ, директор центра — соратник Джона Гуденафа профессор Кейт Стивенсон.

«Основной упор мы делаем на два направления, — рассказывает Евгений Антипов. — С одной стороны, мы уже создали небольшое производство современных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, а с другой — делаем принципиально новые материалы для натрий- и калий-ионных аккумуляторов, где вместо лития используется натрий либо калий в качестве иона, который перемещается внутри аккумулятора от одного электрода к другому при его заряде и разряде».

Евгений Антипов в этом центре является руководителем проекта, под который выделен крупный грант Российского научного фонда. Разработка входит в президентскую программу «Создание научных основ натрий-ионных аккумуляторов».

«У них есть определенные преимущества, есть и недостатки, — поясняет Евгений Антипов. — Но они найдут свой рынок, свою область применения. Их очевидное преимущество: натрия много, лития — мало, благодаря этому натрий — дешевый, литий — дорогой. В случае натрий-ионного аккумулятора можно использовать в качестве источника токоподвода алюминиевую фольгу, потому что натрий с алюминием не образует сплава, а в случае лития мы должны использовать медную фольгу, которая намного дороже».

Это экономическая сторона, но есть научно-техническая составляющая: ионный транспорт натрия может быть быстрее, чем транспорт лития, поэтому аккумулятор может иметь более высокие мощностные характеристики — количество энергии в единицу времени, которую мы закачиваем в аккумулятор, либо извлекаем из него. К недостаткам относится то, что натрий более тяжелый, удельная энергия ниже, чем у литий-ионного аккумулятора при прочих равных условиях.

«Есть проблема анодного материала, — продолжает ученый. — Мы с коллегами из Сколтеха как раз работаем в этом направлении, и наша деятельность вполне конкурентоспособна. Но нужна серьезная государственная программа, потому что накопители энергии — это не просто батарейки, во многом это состояние технологий в нашем обществе. Мы проводим работы по созданию новых знаний, новых материалов и одновременно разрабатываем технологии, которые затем можно тиражировать и внедрять в промышленное производство. У нас в МГУ есть талантливая молодежь, которая делает хорошие работы в этой области, они публикуются в хороших журналах, мы патентуем эти разработки. Но процесс должен развиваться намного стремительнее, поскольку Россия – далеко не лидер в этой области — как в производстве, так и в количестве и качестве научных изысканий».