Будущее большой энергетики

В мире горячо спорят, хватит ли запасов лития для электромобилей. Но в областях, где экономически целесообразнее обойтись без лития, получает развитие натрийионная технология.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Натрийионные аккумуляторы часто ошибочно принимают за прямого конкурента литийионных. Это не совсем так: правильнее называть эту технологию не заменяющей, а дополняющей. Ее задача — занять те ниши, где высокая энергоемкость лития оказывается избыточной и неоправданно дорогой.

В материале для «Ъ-Науки» доцент Центра энергетических технологий Сколтеха Станислав Федотов сравнил характеристики лития и натрия, рассказал о перспективных направлениях, где натрийионная технология может сэкономить ресурсы, а также поделился подробностями реализации гранта Российского научного фонда памяти ученого Евгения Павловича Велихова по разработке технологии производства натрийионных аккумуляторов с заданными свойствами.

Мировое сообщество все чаще приходит к пониманию того, что натрийионные аккумуляторы не заменят литийионные. Натрий не будет конкурировать с литием в тех сферах, где требуются его уникальные свойства, например, в портативной электронике. Вместо этого он дополнит уже известную технологию и займет те рыночные ниши, где высокая энергоемкость и компактность литийионных аккумуляторов являются избыточными и неоправданно дорогими.

Прежде всего речь идет о стационарных системах накопления энергии. Ветряные электростанции и солнечные панели генерируют энергию неравномерно, и ее необходимо запасать впрок. Для массивных накопителей, которые устанавливаются стационарно на земле, вес и объем аккумулятора не имеют решающего значения. Гораздо важнее его стоимость, надежность и долговечность. Здесь у натрия очевидное преимущество. То же самое касается и крупногабаритного электротранспорта — там, где есть возможность разместить аккумулятор значительного размера, решающим фактором становится не максимальная энергоемкость, а общая экономическая эффективность.

Но дело не только в цене. Химия натрия предоставляет несколько уникальных преимуществ по сравнению с литием, но не в плане энергоемкости. Одно из ключевых — это возможность полного разряда без последствий для аккумулятора. При глубоком разряде литийионного аккумулятора, когда его напряжение падает ниже критического уровня, запускаются разрушительные электрохимические процессы.

Ключевую роль в этом играет медный токосъемник — проводящая основа, которая собирает ток с отрицательного электрода. Среди последствий полного разряда такого аккумулятора — потеря его емкости до 100%, повышение риска возгорания и полный выход аккумулятора из строя. Именно по этой причине все больше авиакомпаний в разных странах ограничивают или просто запрещают провоз пауэрбанков, даже если они, как нам, пользователям, кажется, разряжены.

В натриевом аккумуляторе можно использовать алюминиевый токосъемник, который не разрушается при полном разряде. Это значит, что аккумулятор, который, например, годами лежал на складе и разрядился в «ноль», можно будет снова зарядить и использовать. Более того, это открывает путь к принципиально новым протоколам безопасности, появляется возможность разработать систему полного разряда накопителей перед их транспортировкой. При таком сценарии провозить пауэрбанк будет безопасно, потому что он будет полностью разряжен в прямом смысле слова.

Другое перспективное направление связано с устойчивостью натрийионных аккумуляторов к низким температурам. Хотя серийные образцы, подтверждающие это преимущество, пока только появляются, есть основания говорить о высоком потенциале технологии для работы в суровых климатических условиях. Для такой страны, как Россия, где огромные территории расположены в зоне с холодным климатом, это может стать решающим фактором.

Потенциал натрийионной технологии особенно очевиден в масштабах национальной энергосистемы. Установка накопителей энергии на базе натрия на электростанциях — ТЭЦ, ГЭС и даже АЭС — позволила бы решить проблему дисбаланса между выработкой и потреблением электроэнергии в течение суток. Натрийионные накопители смогут запасать излишки энергии в периоды низкого спроса и отдавать их в сеть во время пиковых нагрузок. Так электростанции смогут работать в стабильном оптимальном режиме без необходимости постоянно регулировать мощность, а потери электроэнергии, которые возникают при несоответствии выработки потреблению, снизятся. В долгосрочной перспективе это означает колоссальную экономию ресурсов и денег.

Сырьевой вопрос также играет в пользу натрия. Если разведанные запасы лития, по разным оценкам, составляют от 650 до 730 мегатонн (в пересчете на карбонат) и их не хватит для перевода всего транспорта и энергетики на аккумуляторы, то запасы натрия — одного из самых распространенных элементов на Земле — практически неисчерпаемы. Добывать его во всех смыслах дешевле и проще. Инвестиции в натриевые технологии уже сегодня растут с большей скоростью, чем когда-то росли вложения в литийионные технологии на заре их развития. Однако из-за инерции огромных капиталов, уже вложенных в литий, эксперты прогнозируют, что настоящий паритет и массовое внедрение натрия наступит лишь к 2040-м годам.

Мировая гонка за лидерство в натрийионной технологии уже началась. Китай, осознав стратегический потенциал, ограничил экспорт технологий для производства литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Одновременно с этим в Китае строятся гигафабрики натрийионных аккумуляторов, одна из которых имеет мощность 30 ГВтч в год.

В июне 2025 года наша научная группа в Сколтехе получила престижный грант Российского научного фонда памяти выдающегося русского ученого Евгения Павловича Велихова до 2029 года на разработку технологии производства натрийионных аккумуляторов с заданными свойствами. Проект включает выбор и исследование перспективных составов активных материалов и электролитов, разработку масштабируемых технологий синтеза активных компонентов на уровне не менее 500 кг/год, а также сборку и испытания опытных образцов аккумуляторов с заданными квалифицированным заказчиком характеристиками. В отличие от существующих в стране сборочных производств, которые зависят от импорта китайских компонентов, наша цель — создать полный технологический цикл: от синтеза активных материалов и электролита до производства готовой ячейки. Это сложный путь, но только он гарантирует реальный технологический суверенитет в этой критически важной области.

Наш Центр энергетических технологий в Сколтехе и ключевые партнеры проекта (Красноярский научный центр СО РАН, МГУ им. М. В. Ломоносова) обладают большой экспертизой, передовым научно-исследовательским оборудованием и инфраструктурной базой для выполнения таких проектов. Заслуженный профессор Сколтеха Артем Абакумов, который возглавляет центр, и академик РАН, профессор Сколтеха Евгений Антипов в 2024 году были удостоены Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» за создание фундаментальных и практических основ разработки и производства электродных материалов для металлоионных аккумуляторов нового поколения. Сейчас мы с энтузиазмом беремся за проект по натрийионной технологии и очень благодарны за поддержку со стороны ректора Сколтеха Александра Кулешова, Российского научного фонда и руководства Красноярского края, на территории которого находится квалифицированный заказчик проекта и где мы будем создавать лабораторию по электрохимическому материаловедению в рамках Красноярского научного центра СО РАН.

Натрийионный аккумулятор — это не просто еще один тип батареи. Это шанс построить более доступную архитектуру энергетики, создать новые решения для транспорта и закрепиться на одном из самых перспективных технологических направлений, которое определит облик мировой экономики.

Олег Щербаков, Сколтех