Батарейка для человечества

Научный руководитель ИХТТМ СО РАН академик Николай Захарович Ляхов:

— В настоящее время всё чаще говорят не о литий-ионных, а шире, металл-ионных аккумуляторах. Однако пока самыми распространенными являются литий-ионные, спрос растет именно на них, потому что именно у этого вида батарей оптимальное соотношение емкости, мощности, размера, безопасности и других значимых параметров. Если литий-ионный аккумулятор смартфона держит заряд двое-трое суток, то с натрий-ионным при той же интенсивности использования сядет за день, или потребуется источник тока больше самого аппарата, хотя натрий-ионная схема при прочих равных изначально дешевле. Поэтому многообразие типов металл-ионных (включая литиевые) накопителей тока будет нарастать, поскольку расширяется горизонт потребностей в них: от напольных весов до атомной электростанции или подводной лодки.

Потребности в литий-ионных и отчасти других накопителях электроэнергии увеличиваются в связи с массовой цифровизацией всех сфер человеческой деятельности, с развитием электротранспорта и беспилотных систем, со становлением новой энергетики (солнечная, ветровая генерация), которая просто невозможна без больших накопителей. Их требует и традиционная энергетика — для выравнивания пиковых нагрузок и аварийного электроснабжения. Здесь как раз могут применяться и применяются массивные натрий-ионные устройства на основе соединений натрия, которых в России и мире куда больше, чем соединений лития.

Электрический транспорт, замечу, — это направление, целиком и полностью зависящее от двух факторов: характеристики аккумуляторов и способа подзарядки. Что касается первого, то сегодня вполне реален пробег легкового автомобиля на одной зарядке в 800 километров, то есть от Новосибирска до Красноярска. С подзарядкой сложнее. Во-первых, точек зарядки на наших улицах и дорогах пока что считаные единицы, во-вторых, этот процесс требует времени, в отличие от заправки обычным топливом. В будущем оптимальной инфраструктурой для электромобилей видится сеть станций перестановки аккумуляторов, наподобие замены газовых баллонов, для этого на начальном этапе требуется достаточное разнообразие типов батарей, а затем — их национальная и международная унификация в сопряжении со стандартами автопрома.

Общественный транспорт переходит на электротягу легче. Электробусы и другие машины работают по определенному графику, позволяющему ставить их на длительную подзарядку от сети. По крайней мере, весь Мосгортранс перешел на электрическую тягу. В Новосибирске, увы, продолжает работать единственный гибридный троллейбус на маршруте «Центр — аэропорт Толмачёво».

Директор ИХТТМ СО РАН член-корреспондент РАН Александр Петрович Немудрый:

— При прогнозируемом росте спроса на литий-ионные накопители уже сегодня наблюдается нехватка лития. Это редкий и рассеянный элемент: например, он есть в морской воде, но в ничтожных концентрациях. Реальная добыча всё больше отстает от потребностей: в земной коре литий достаточно редко концентрируется в виде минералов, в последнее время больше соединений лития извлекается из озерных рассолов и пластовых вод, в том числе сопутствующих нефтегазодобыче. В последнем случае в российских попутных водах концентрация лития может достигать 0,5 грамма на литр.

Наш институт с самого его основания в 1944 году был нацелен на литиевую тематику. Правда, не для производства накопителей энергии, а в рамках атомного проекта СССР. Уже в 1950 году коллектив под руководством доктора технических наук Ивана Сергеевича Лилеева был удостоен Сталинской премии за разработанный метод получения лития из минерального сырья — сподумена, в котором его может содержаться от четырех до семи процентов. Технология получилась непростая, но, тем не менее, была успешно запущена на Красноярском химико-металлургическом заводе — там наладили выпуск гидроокиси лития, в том числе и для Новосибирского завода химконцентратов. 

У нас в институте сложилось четкое понимание ограниченности сподуменовых запасов, и мы начали перенацеливаться на получение лития из пластовых вод. Эти исследования возглавила доктор технических наук Наталья Павловна Коцупало, настоящий долгожитель науки, с которой мне посчастливилось поработать довольно долго. Пробовали использовать воды из недр Сибири, Дагестана, Якутии (самоизливающиеся высококонцентрированные рассолы трубки Удачная). Затем, можно сказать, фортуна повернулась ко мне лицом: я обнаружил, что взаимодействие гидроокиси алюминия с солями лития почти на 100 % селективно и дает практически идеальную экстракцию из рассолов со сложным составом, и эту идею команда Натальи Павловны методично довела до технологии, которая сегодня считается наиболее распространенной и эффективной. В частности, Иркутская нефтяная компания запустила производство возле Усть-Кута, где из подземных рассолов получена первая тысяча тонн карбоната лития. По моим сведениям, эту же технологию собирается использовать государственная корпорация «Росатом», получившая лицензию на разработку озерных рассолов в Боливии. Добытый там литий дешевле, чем сибирский, хотя и наш при определенных условиях получения вписывается в конкурентную ценовую вилку семь-восемь долларов за килограмм карбоната лития.

Н. З. Ляхов:

— Кроме классических накопителей всё больший интерес вызывают технологии хранения электроэнергии в гибридных установках, а также ее получения из газа без сжигания, без получения пара для турбин, вращающих роторы генераторов. Второе направление видится перспективным, прежде всего для систем автономизации электроснабжения — в нашем институте плотно занимаются и этой тематикой. Коэффициент полезного действия таких установок можно довести до 60 %, что недоступно на обычных ТЭЦ, газовых и тем более угольных. 

А. П. Немудрый:

— Газовое топливо можно подавать на один электрод, окислитель на другой, разделив их электролитом. На электродах идут окислительно-восстановительные реакции и образуются ионы, которые движутся по электролиту, а электроны — по внешней цепи. Этот принцип известен почти 150 лет, но реализовать его достаточно сложно. Низкотемпературным элементам нужен, к сожалению, сверхчистый водород — труднополучаемый, сложный в хранении и транспортировке. Высокотемпературные элементы могут работать на метане, но там все элементы должны быть из керамики и обладать определенными свойствами. Их достоинствами является работа на обычном газе, высокая энергоотдача, механическая прочность, бесшумность, а недостаток один — длительность первичного запуска из-за необходимости прогрева твердооксидных топливных элементов.

Тем не менее в нашем институте нашли решение — создали первые в России микротрубчатые твердооксидные топливные элементы, которые выдерживают быстрый нагрев и охлаждение и являются ключевым элементом мобильных автономных источников электроэнергии. Разработанная ГК «Инэнерджи» в сотрудничестве с ИХТТМ СО РАН мобильная электростанция «Топаз-Гамма М» является базовым генерирующим модулем для построения комплектных источников питания эффективной мощностью от 100 Вт до 2 кВт, она внесена в реестр инновационных разработок ПАО «Газпром». В прошлом году началось опытное производство этих установок, крайне востребованных для удаленных точек Сибири и Арктики: они могут работать в диапазоне температур от минус до плюс 50 ℃. 

Ведущий научный сотрудник ИХТТМ СО РАН доктор химических наук Нина Васильевна Косова:

— И прямое преобразование топлива в электроэнергию, и заряд-разряд в аккумуляторной батарее основаны на специфичных физико-химических процессах. Самой сложной проблемой здесь является поиск и получение оптимального катодного материала, стоимость которого может достигать 35—50 % цены всего аккумулятора или автономного источника питания. Металлов, способных быстро менять степень окисления и при этом не очень дорогих, в таблице Менделеева совсем немного, и с ростом потребностей в металл-ионных, прежде всего литий-ионных аккумуляторах (ЛИА), цены на эти материалы тоже растут.

Первым из катодных материалов для ЛИА был кобальтат лития, но кобальт в настоящее время очень дорог. Более того, он признан ядовитым — в соединениях его стали заменять, в основном на никель и марганец. Так появилась аббревиатура NMC — никель, марганец, кобальт, используемые одновременно. В современных аккумуляторах катодные материалы с участием NMC обеспечивают максимальную емкость. При этом компании-производители экспериментируют с пропорциями: никель может составлять до 80—90 % массы, а марганец и кобальт — 5—10 %.

По кристаллической структуре катодные материалы делятся на три класса. В одноразмерных структурах (например, железофосфат лития) ионы лития могут двигаться только по единственному каналу (1D), в 2D-структурах (кобальтат лития) два канала образуют некоторую плоскость, по которой перемещается весь литий. Наконец, 3D-структура (литий-марганцевая шпинель) дает возможность диффузии лития в трех направлениях. На основе каждого структурного класса катодные материалы производятся в промышленном масштабе и разрабатываются новые.

Н. З. Ляхов:

— И катодные материалы, и анодные, и накопители в целом (как производимые, так и перспективные) представляют постоянно расширяющееся поле возможностей, привязанных к столь же подвижному фронтиру задач. Поэтому говорить «будущее — за вот этим» в корне неверно, будущее продолжает быть вариативным.

Подготовил Андрей Соболевский