Энергетический пазл
Будущее и настоящее автономных энергонакопителей
Аккумуляторы и энергонакопители — краеугольный камень современной цивилизации. По какому пути идет развитие аккумуляторов, столкнется ли мир с дефицитом лития, как зеленая энергетика стимулирует создание новых мощных энергонакопителей и какие задачи стоят перед учеными при совершенствовании аккумуляторов?
Обо всем этом «Ъ-Науке» рассказали научный руководитель ИФХЭ РАН, академик РАН Аслан Цивадзе, заведующая лабораторией процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН, доктор химических наук Татьяна Кулова, главный научный сотрудник той же лаборатории, доктор химических наук Александр Скундин и ведущий научный сотрудник лаборатории электрокатализа ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Александр Модестов.
Фото: Ольга Макарова
Фото: Ольга Макарова
Фото: ИФХЭ РАН
Фото: Ольга Макарова
— Какие задачи по совершенствованию аккумуляторов стоят перед учеными?
Аслан Цивадзе: Я начну с того, что над совершенствованием аккумуляторов работают большие коллективы, объединяющие ученых разных направлений. Это химики-синтетики по неорганическому синтезу, органическому синтезу и синтезу высокомолекулярных соединений, которые создают новые материалы. Это электрохимики, которые разрабатывают собственно электрохимические системы. Над задачами электрохимии в ИФХЭ РАН работают шесть лабораторий. Целенаправленным синтезом новых веществ и материалов с заданными свойствам занимаются высококвалифицированные ученые из более 20 лабораторий института. В процессе разработки и создания электродных материалов, электролитов или мембран возникают проблемы, требующие сложного физико-химического исследования вещества и его поверхности. Такие специалисты работают в нашем Центре коллективного пользования, оснащенном новейшими приборами.
Наш институт собрал уникальный коллектив специалистов. Благодаря этому ИФХЭ РАН — настоящий центр электрохимических компетенций, который способен решать задачи практически по всем направлениям электрохимической энергетики и химических источников тока. На базе ИФХЭ РАН был создан Центр компетенций по рациональному использованию минерального и гидроминерального сырья, и доступность материалов, которые необходимы для аккумуляторов, в том числе лития,— одно из ключевых направлений его деятельности.
В этом году коллектив авторов из ИФХЭ РАН подготовил обзорную статью «Электрохимические накопители энергии — современное состояние и перспективы» для журнала «Успехи химии», в которой мы подробно осветили направления развития автономных энергоемких источников. Очень схематично можно выделить два такие направления. Во-первых, это портативные аккумуляторы с высокой удельной энергией, то есть запасающие много энергии в малом объеме. В первую очередь это хорошо известные литий-ионные аккумуляторы, которые используются в сотовых телефонах, планшетах, летательных аппаратах, электрическом инструменте для строительных и горнодобывающих работ и т. д.
Во-вторых, с появлением возобновляемой энергетики возникла потребность в надежных, безопасных, дешевых и не обязательно портативных аккумуляторах, которые могут запасать так называемую прерывистую энергию в колоссальных количествах.
— Действительно в колоссальных?
Александр Модестов: Если доля возобновляемой энергетики в общем объеме энергопотребления невелика, то запасать почти нечего. Но если солнечная энергетика составляет 30–40%, как в Китае или Европе, то запасать приходится огромное количество энергии.
Возобновляемые источники энергии целесообразны только в том случае, когда рядом с ними стоит накопитель. Их производительное время не всегда совпадает с нашими потребностями. Солнце светит днем, а освещение требуется также и ночью. То же самое и с ветровыми станциями.
Можно сделать гидроаккумулятор: когда энергия производится, насосы качают воду и наполняют водохранилище, расположенное на высоте. Когда энергии нет, то вода течет обратно и крутит турбину. Но эта идея не работает, если рядом нет двух прудов, разнесенных по высоте на 50–300 м.
Можно построить огромный литиевый аккумулятор, как сделал завод Tesla в Австралии. Такой накопитель для солнечной электростанции выглядит как ряд больших контейнеров с системой охлаждения и управления, в которых собрано множество литиевых батарей. Однако литиевые батареи дорогие, и они хорошо горят. Если загорелась одна, сгорит все, потому что потушить литий невозможно. Он прекрасно горит в воде и взаимодействует с углекислым газом. Его тушат, засыпая песком, но невозможно засыпать песком такие объемы.
Стационарный аккумулятор, установленный рядом с солнечной электростанцией, может быть большой и тяжелый. Для него удельная энергия не так важна, как низкая стоимость, безопасность, надежность, способность многократно заряжаться-разряжаться, отсутствие саморазряда, удобство в обслуживании.
Оптимальным решением стали проточные редокс-батареи. В них энергия запасается не в твердых электродах, а в цистернах, заполненных жидким электролитом, который содержит и активные вещества, вступающие в токообразующую реакцию. Золотой стандарт современных проточных редокс-батарей — ванадиевые. Электролит в них — водный раствор солей ванадия в серной кислоте.
Водный электролит не горюч. Электролиты находятся в изолированных баках, поэтому в проточной батарее нет саморазряда. Проточные редокс-батареи также замечательны тем, что энергетическая емкость и силовая мощность в них почти не связаны между собой. Если нужно увеличить емкость батареи, можно поставить еще один бак с электролитом. За мощность, то есть за скорость, с которой батарея отдает энергию, отвечает реактор. Это отдельный блок, и, если нужно увеличить мощность, наращиваем его. Поэтому их удобно масштабировать в зависимости от того, как, с какой скоростью, по каким циклам происходят накопление энергии и ее выдача. Срок службы такой батареи — более десяти лет без потери мощности и емкости.
Удельная энергия у ванадиевой батареи раз в шесть меньше, чем у литий-ионного аккумулятора. Это мало, но такую батарею можно поставить на дешевой земле рядом с солнечной электростанцией и сделать достаточно большой. Однако большие ванадиевые батареи стоят дорого. Для них требуется ванадий чистоты более 99%, в противном случае на электродах выделяется большое количество водорода, что влечет за собой саморазряд и коррозию. Чистый ванадий стоит около $50 за 1 кг. На хранение 1 МВт•ч нужно 2–3 тонны ванадия.
— Очень дорогая установка, вам не кажется?
Александр Модестов: Свинцовые аккумуляторы будут дешевле, но они выдерживают около 500 циклов разряда-заряда. Энергоемкость у них не намного больше, зато они очень тяжелые и им свойственен саморазряд. В нашей лаборатории мы сейчас работаем над созданием титан-бромовой редокс-проточной батареи. Мы планируем в полтора раза увеличить плотность энергии и в два раза снизить стоимость.
— Каковы ниши для литий-ионных аккумуляторов?
Татьяна Кулова: Практически любые — в воздухе, в воде и на земле. Переход на электротранспорт, включая электромобили, электровелосипеды, электромотоциклы и электроскутеры, состоялся благодаря литий-ионным аккумуляторам. Они необходимы для питания портативных медицинских приборов, таких как дефибрилляторы, инфузионные насосы и портативные мониторы. Литий-ионная батарея — стандарт для мобильного телефона, планшета или ноутбука. Портативные электроинструменты используются в строительстве и добыче полезных ископаемых. Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают работу космических спутников и летательных аппаратов. Самолеты тоже могут использовать литий-ионный аккумулятор.
— Вы имеете в виду электросамолеты?
Татьяна Кулова: Электросамолет — это, конечно, фантастика. Самолет типа У-2 (самолет с корпусом из фанеры и с брезентовыми крыльями) на литий-ионном аккумуляторе, возможно, полетел бы. Но более современные самолеты для этого слишком тяжелые. Крупнейший на сегодняшний день полностью электрический самолет имеет четыре электромотора и весит 11,3 тонны. 12 августа 2026 года был испытательный полет, и самолет поднялся на высоту 335 м. Пока это экспериментальная модель.
Я говорю о том, что в самолете много аппаратуры, для питания которой раньше использовались никель-кадмиевые аккумуляторы, а потом их заменили на серебряно-цинковые. У таких аккумуляторов не очень большой срок службы — от 100 до 200 циклов. В подводных лодках была попытка заменить свинцовые аккумуляторы на серебряно-цинковые, но это оказалось слишком дорого. Серебро — дорогой металл.
Литий-ионные аккумуляторы дешевле, но использовать их в замкнутом пространстве не позволяют требования по безопасности. Но на кораблях они есть.
— Вы сказали, что литий-ионные аккумуляторы пожароопасны. Это принципиально неустранимое качество литий-ионных аккумуляторов или с ним можно побороться?
Александр Скундин: Это не устранимо. При заряде аккумулятора, близком к нулю, или когда имеет место большая загрузка, например на телефоне одновременно открыто много приложений и геолокаций, то увеличивается ток. Аккумулятор начинает нагреваться. Электролит в нем стабилен градусов до 80, а потом он закипает, и телефон взрывается. Ежегодно в мире регистрируется несколько десятков взрывов телефонов.
— Батареи электросамокатов и пауэрбанки, получается, еще опаснее?
Александр Скундин: Да, они еще опаснее.
— В обзоре, опубликованном в «Успехах химии», вы пишите, что литий-ионные аккумуляторы достигли определенного совершенства и дальше их можно только немножко улучшать, а серьезного прорыва уже не ожидается. Это действительно так?
Александр Скундин: Прорыв, вероятно, уже состоялся. Литий-ионные аккумуляторы появились в 1990 году. Тогда их удельная энергия составляла менее 100 Вт•ч/кг. За 35 лет она увеличилась в 2–2,5 раза. Сейчас приходится бороться за прирост емкости на 10–15%.
Чтобы улучшить литий-ионные аккумуляторы, надо заменить катодный и анодный материалы на что-то более энергоемкое. Для анодного материала выбор какой-никакой есть: графит можно заменить на кремний или на германий. Эти материалы способны принять больше лития, чем графит. Однако, когда материал аккумулирует литий, он увеличивается в объеме и разрушается. Эту проблему пытаются разрешить, используя наноструктуры. Таким методом в нашем институте были созданы аккумуляторы для арктических условий.
С катодом сложнее. Чтобы существенно улучшить катодный материал, нужно синтезировать соединения, в которых будет не один атом лития на формульную единицу, а два или три. Для этого нужно подбирать степени окисления других химических элементов в соединении так, чтобы они связывали эти два-три и более атомов лития. Эти степени окисления и кристаллическая структура соединений должны сохраняться при циклировании, но есть универсальное правило: чем больше электрический ток, тем сильнее нарушается структура. Много элементов в формулу добавить нельзя, потому что соединение не должно стать очень тяжелым. Более того, для извлечения второго иона лития потребуется увеличить электрический потенциал, но не все электролиты выдерживают высокие потенциалы. Следовательно, для новой электрохимической системы одного нового катода мало, а нужно также синтезировать новый электролит. Можно перейти к твердому электролиту, но сопротивление твердого электролита выше, и на больших токах такой аккумулятор не будет работать.
— Что же делать?
Татьяна Кулова: Новое — это хорошо забытое старое. В литий-ионном аккумуляторе есть катодный материал с запасенными на этапе синтеза ионами лития и анодная матрица, которая может эти ионы аккумулировать и затем отдавать. При правильной эксплуатации аккумулятора металлического лития в нем нет. Если появляется металлический литий, это означает, что условия эксплуатации нарушены, аккумулятор поврежден и возможно его возгорание.
Но разработки начинались не с литий-ионных, а с литиевых аккумуляторов. В литиевом аккумуляторе отрицательный электрод — это металлический литий. Если бы литий не растворялся и не осаждался затем в виде иголок (дендритов), которые через несколько циклов пробивают сепаратор и создают условия для короткого замыкания, то литий-ионные аккумуляторы не были бы нужны. Промышленность выпускала бы литиевые аккумуляторы, и все были бы счастливы, поскольку их удельная энергия выше, чем у литий-ионных.
Сейчас появились электролиты, которые подавляют образование дендритов. Новое направление — безанодные аккумуляторы — сочетает идеи литий-ионных и литиевых аккумуляторов. В таких аккумуляторах отрицательный электрод — это просто металлическая подложка. В безанодных аккумуляторах осаждение металлического лития при заряде происходит на подложке, без дендритов в виде тонкого осадка. Мы работаем над созданием безанодных аккумуляторов при поддержке гранта РНФ. Это не прорыв, а еще один шаг по улучшению класса литиевых аккумуляторов.
— Для вас как для ученых какие аккумуляторы сейчас наиболее интересны?
Татьяна Кулова: Для нас безанодные. Именно поэтому в нашей лаборатории ведутся два проекта, поддержанные грантами РНФ,— по безанодным литиевым и по безанодным натриевым аккумуляторам. Технология изготовления безанодных аккумуляторов не сильно отличается от технологии для металл-ионных аккумуляторов. В обоих случаях не используются металлические натрий и литий; это очень хорошо, потому что с металлическими литием и натрием можно работать только в аргоновой атмосфере, что сильно удорожает производство. У нас есть определенные успехи, чему мы очень рады, но пока много нерешенных проблем.
В обзоре, опубликованном в «Успехах химии», мы описали литий-кислородные аккумуляторы. В научном плане это очень интересное направление, но есть много нерешенных вопросов и коммерциализировать разработку пока не удается. Эти аккумуляторы плохо выдерживают циклы заряд-разряд, но в одноразовых устройствах они могут найти свою нишу.
Также есть литий-серные аккумуляторы. В нашей лаборатории ими тоже занимаются. На первом цикле удается получить очень большую плотность энергии, но потом емкость падает. Проблему деградации при циклировании решить пока не удается. Это научные задачи, которые далеки от внедрения.
— Натрий-ионные аккумуляторы ближе к коммерциализации?
Татьяна Кулова: Технология изготовления натрий-ионных аккумуляторов очень похожа на технологию изготовления литий-ионных. Натрий-ионные аккумуляторы можно собирать на тех же самых заводах. Синтез катодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов недорогой и несложный. Натрий-ионные аккумуляторы — это уже реальность. В Китае есть заводы, например, компания CATL, выпускающие натрий-ионные аккумуляторы для электромобилей. Они безопаснее, чем литий-ионные, потому что у них меньше напряжение и меньше шанс возгорания. Натрий-ионные аккумуляторы более работоспособны при низких температурах.
— Не так давно было много разговоров, что лития на Земле мало, всем его не хватит и наши дети останутся без аккумуляторов. Решена ли проблема? Заменят ли натрий-ионные аккумуляторы литий-ионные?
Татьяна Кулова: Лет пять назад я на лекциях говорила, что при нынешнем потреблении и росте спроса на литий-ионные аккумуляторы, если не заниматься утилизацией, то лития хватит не больше чем на 100 лет. Спрос на литий устойчиво растет.
Натрий тяжелее лития, следовательно, удельная энергия натрий-ионных аккумуляторов ниже, чем литий-ионных. Поэтому применимость натрий-ионных аккумуляторов в портативных устройствах, где важен вес: в телефонах, ноутбуках, электромобилях, тем более в летательных аппаратах,— ограниченна. Вес литий-ионной батареи для мобильного телефона или ноутбука обычно составляет 13–15% от массы устройства. В электромобиле он достигает 20–30% от массы автомобиля. Это уже не мало, а натрий-ионная батарея будет тяжелее или слабее.
Поэтому мой ответ: нет, не заменят. Хотя натрия на планете на несколько порядков больше, литий остается стратегически важным для развития цивилизации материалом. Поэтому очень большое значение имеют поиск новых месторождений лития, новых способов его извлечения, использование отработанных батарей.
Аслан Цивадзе: Вопрос о дефиците литийсодержащего сырья в России не стоит. У нас имеются уникальные возможности по добыче лития, потому что помимо минерально-сырьевых источников есть подземные воды (в том числе термальные, нефтеносные и гидроминеральные). Таких источников в России много, но каждый требует своей технологии при универсальности научных решений.
Здесь возникает проблема защиты интеллектуальной собственности. Помимо научных вопросов есть вопросы технологии и секретов производства. К сожалению, российская правовая система пока недостаточно готова защищать права патентообладателей, что очень сильно осложняет взаимоотношения научных организаций и бизнеса.
— Признанный производитель аккумуляторов — Китай. Сможет ли Россия обеспечить технологический суверенитет в этой области?
Аслан Цивадзе: В России сейчас строятся два завода по производству литий-ионных аккумуляторов. Но чтобы обеспечить технологический суверенитет, недостаточно производить товары на основе импортозамещения. Технологический суверенитет обеспечивается не импортозамещением, а технологическим лидерством, когда применяемые внутри страны технологии позволяют получить результаты, которые превышают достигнутый мировой уровень.
В своих работах мы ориентируемся на лучшие мировые показатели. В электрохимической энергетике постоянно появляются новые направления, которыми надо заниматься.