Замковый камень
Как ученые создают первую в России отечественную установку для производства катодных материалов
Цепочка производства литийионных аккумуляторов в России стремительно развивается: начинается разработка месторождений лития, строятся гигафабрики, но в ней отсутствует критическое звено — производство катодных материалов, тех самых химических соединений, сложных оксидов или фосфатов, которые непосредственно запасают энергию в батарее. Без них добытое литиевое сырье остается лишь экспортным товаром, а планы по созданию отечественных аккумуляторов не могут быть в полной мере реализованы.
Заслуженный профессор Сколтеха Артем Абакумов, директор Центра энергетических технологий Сколтеха.
Фото: Тимур Сабиров, Сколтех
Заслуженный профессор Сколтеха Артем Абакумов, директор Центра энергетических технологий Сколтеха.
Фото: Тимур Сабиров, Сколтех
В материале для «Ъ-Науки» заслуженный профессор Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) Артем Абакумов, директор Центра энергетических технологий Сколтеха, поделился, как его коллектив работает над сокращением этого разрыва.
Если у нас есть литий, но нет катодных материалов — у нас нет аккумуляторов. Это звучит просто, но за этой простотой стоит системная проблема. Сегодня в России реализуется множество проектов по добыче литиевого сырья. Начата разработка литиевых сподуменовых руд на Колмозерском и Полмостундровском месторождениях в Мурманской области, на Тастыгском месторождении в Республике Тыва, инициированы проекты по извлечению лития из гидроминеральных источников, таких как пластовые воды Ярактинского и Ковыктинского месторождений. Основными конечными продуктами этих проектов являются карбонат и гидроксид лития, причем ожидаемая суммарная годовая производительность может достигать 40–50 тыс. тонн в эквиваленте карбоната лития.
В качестве основного потребителя литиевых соединений в России и в мире рассматривается производство литийионных аккумуляторов, для чего сейчас в нашей стране строятся и запускаются в работу гигафабрики в Калининградской области и подмосковной Красной Пахре. Термин «гигафабрика» происходит от объемов производства аккумуляторов, которое для одного завода может достигать нескольких гигаватт-часов в год общего количества запасаемой электроэнергии.
Ни гидроксид, ни карбонат лития, а уж тем более металлический литий не присутствуют в составе литийионного аккумулятора. Для того чтобы добываемый литий мог быть использован для производства аккумулятора, его необходимо переработать в материал положительного электрода — катода. Общее годовое потребление катодных материалов в стране оценивается примерно в 15 тыс. тонн сложных оксидов лития, никеля, марганца и кобальта Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC), плюс порядка 5 тыс. тонн фосфата лития-железа LiFePO4 (LFP). На сегодняшний день производство катодных материалов в нужном количестве в нашей стране отсутствует и вся индустрия литийионных аккумуляторов и батарей практически полностью зависит от импорта.
Без производства катодных материалов использование отечественного лития технически невозможно, за исключением небольших объемов, потребляемых производствами, не связанными с хранением энергии. Создание производства катодных материалов — это то, что способно придать смысл всем проектам по добыче лития, без чего у этой затеи остается только экспортный потенциал. В катодных материалах также сосредоточена основная часть инноваций в технологии литийионных аккумуляторов. Можно сказать, что эти материалы — центр тяжести технологического развития аккумуляторной отрасли, под который подстраиваются остальные составляющие: электролит, связующие, проводящие добавки, технологии нанесения электродных смесей и др.
Производство наиболее востребованных в России катодных материалов NMC включает два основных этапа, первым из которых является получение предшественника катодного материала (прекурсора) из раствора солей никеля, марганца и кобальта. Прекурсор еще не содержит лития, который вводится туда на втором этапе высокотемпературного литирования при реакции с гидроксидом или карбонатом лития.
Для опытно-промышленной реализации второго этапа мы в Сколтехе в декабре 2025 года запустили в работу первую и пока единственную в России проходную печь. В сентябре 2026 года мы завершили монтаж автоматизированной реакторной установки синтеза прекурсоров производительностью около 40 тонн в год. Эта установка сделана согласно нашим технологическим регламентам, по нашему проекту и из российских комплектующих. Таким образом, мы реализовали первый этап технологии производства катодных материалов NMC и сделали полноценный шаг к локализации всей технологической цепочки производства литийионных аккумуляторов.
Наша установка позволяет производить широкий спектр материалов с различным содержанием никеля и тестировать различные технологические режимы. Помимо опытного производства, на этой установке мы соберем данные, необходимые для проектирования уже промышленных агрегатов мощностью до 200–500 тонн в год.
Но главная ценность новой установки — это ее потенциал развития. Она спроектирована не только для выпуска хорошо известных коммерческих материалов, но и для создания промышленных технологий получения соединений нового поколения. Речь идет, например, о материалах с градиентом концентрации никеля, когда химический состав меняется от центра к поверхности частицы. Центральная часть с высоким содержанием никеля обеспечивает высокую энергоемкость, а периферийная часть с пониженным содержанием никеля предотвращает паразитные реакции с электролитом и снижает деградацию. Таким образом, создание неоднородного химического состава с градиентом концентрации способствует увеличению срока службы таких материалов и делает аккумуляторы более долговечными и безопасными.
Производство градиентных материалов более сложное, но на лабораторном уровне мы эту задачу решили давно: под руководством старшего преподавателя Александры Савиной у нас функционирует лаборатория масштабирования технологии получения катодных материалов. Теперь мы можем перейти к масштабному синтезу градиентных прекурсоров.
Мы рассматриваем наши опытно-промышленные установки не просто как средства производства, а как инструменты опережающего развития и достижения технологического лидерства. Аккумуляторная отрасль развивается очень динамично, и приобретение зарубежных технологий и даже заводов «под ключ» неизбежно закладывает отставание на 5–10 лет от мировых лидеров. Можно сказать, что вроде бы все одинаково: Россия использует китайские технологии, и Китай использует китайские технологии, но есть нюансы.
Основной нюанс в том, что никто нам не будет продавать технологии сегодняшнего (тем более — завтрашнего) дня, создавать для нас точки роста и коллективы разработчиков, искать новые аппаратурные решения и материалы. Уже сейчас мы видим существенный риск того, что настанет момент, когда мы можем просто перестать понимать, как работают импортируемые технологии. Именно поэтому мы вкладываем серьезные человеческие и материальные ресурсы в то, чтобы Центр энергетических технологий Сколтеха и окружающая его группа малых технологических компаний сохраняли лидерство не только в развитии производств, но и в выводе на рынок новых материалов.
Совершенно ошибочной является точка зрения о том, что литийионная технология — это что-то уже окончательно сформировавшееся и не имеющее значимого потенциала развития. Иногда новый взгляд даже на старые материалы дает неожиданные результаты и открывает новые рыночные ниши. Например, мы в стартап-компании Сколтеха «Рустор» разработали и запатентовали способ производства сферического кобальтита лития — катодного материала, который предложил еще нобелевский лауреат Джон Гуденаф. В основе нашей технологии — особый способ получения прекурсора.
В отличие от традиционных методов, требующих сильного нагрева и агрессивных химикатов, мы разработали более щадящий процесс при умеренной температуре и почти нейтральной среде. Это дает несколько преимуществ: во-первых, мы экономим энергию, во-вторых, не образуются вредные щелочные отходы, которые нужно специально утилизировать, а в-третьих, получаются частицы нужной формы — они плотно упаковываются в электроде, что позволяет создавать более емкие аккумуляторы. Наш материал стабильно работает при высоком зарядном напряжении и высоких токах разряда, а значит, обеспечивает отличную емкость и мощность. Такое сочетание характеристик привлекательно для беспилотных летательных аппаратов.
Если заглянуть в недалекое будущее, то уже давно созрело желание реализовать платформу по ускоренной разработке материалов, соединив высокопроизводительный эксперимент, искусственный интеллект и передовые методы исследования вещества. Современный уровень развития вычислительных методов делает это вполне вероятным. Это даст возможность раннего вывода продуктов на рынок и обеспечит конкурентные преимущества.
Задача очень сложная, так как выходит далеко за рамки простой автоматизации эксперимента и ставит проблемы обработки больших массивов разнородных данных, принятия решений на основе неполной (и часто искаженной) информации и поиска правильных путей в многопараметрическом пространстве химических переменных. Например, проблема аккумуляторов для беспилотников в том, что нужны одновременно высокая энергоемкость и высокая мощность — практически взаимоисключающие характеристики. Композитные материалы, сочетающие, например, кобальтит лития (обеспечивающий высокую электропроводность) и никель-марганец-кобальтовые оксиды (дающие высокую емкость), могут стать оптимальным компромиссом.
Встает вопрос: какие составы и пропорции материалов оптимальны, какое должно быть соотношение размеров частиц, нужно ли мономодальное или бимодальное распределение? Это пространство параметров, которое можно перебирать сотнями экспериментов, но хотелось бы подойти рационально, с использованием высокопроизводительного роботизированного и параллельного эксперимента и обработки данных на основе ИИ. Такой пилотный проект даст и нужный материал, и методологию для будущих разработок. Но создание такой платформы или даже пилотный проект такого рода требуют весьма серьезных инвестиций.
Мы в Сколтехе сейчас системно и планомерно развиваем индустрию катодных материалов. Сначала было желание сказать, что это фундамент аккумуляторного производства, но, наверное, более точное сравнение — замковый камень, который находится в вершине свода, не позволяя ему обрушиться. Без него две части арки — добыча лития и строительство гигафабрик — не смогут устойчиво существовать и поддерживать друг друга.