Сначала история. Первый прообраз заряжаемого аккумулятора появился на свет более 200 лет назад, в 1803 году. А известный всем свинец-кислотный накопитель энергии, широко используемый и в наши дни, – в 1856-м, за 26 лет до создания самодвижущегося экипажа. Первые аккумуляторные батареи состояли из сотен ячеек, весили чуть ли не тонну, служили мало и пробег гарантировали лишь на несколько десятков километров. Тем не менее факт остается фактом: первые авто были не на бензиновой, а на электрической тяге, и сейчас мы снова к ней возвращаемся. Во многом сдвиг массового сознания в сторону электрификации автомобилей произошел благодаря компании Tesla и ее лидеру Илону Маску: Model S, как и последующие, оказался очень успешным проектом.

В отличие от электромобилей конца XIX века – начала XX в Tesla и других современных моделях используются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Родоначальником технологии ЛИА стала японская компания Sony в 1991 году. Характеристики этих устройств даже в первом поколении намного превышали показатели традиционных сородичей (свинец-кислотных, никель-кадмиевых, никель-металлгидридных): 100–120 ватт-час на килограмм массы, сотни циклов заряда-разряда без существенной потери емкости, очень низкий саморазряд, отсутствие «эффекта памяти» и т. д. Крайне важным показателем является и высокая эффективность ЛИА: он отдает практически столько же энергии, сколько тратится на его заряд (95–97 %). Потому электромобили значительно превосходят своих бензиновых собратьев в плане энергоэффективности – порядка 90 % вместо 20 %. Как результат, стоимость пробега электромобиля в разы меньше, чем у бензинового родственника. Если прибавить к этому отсутствие выхлопа и шума, а также впечатляющую динамику, то неудивительно, что сегодня все автогиганты переходят на выпуски электромобилей, поскольку спрос на них огромный. Европа его стимулирует, ограничивая выпуск машин с двигателем внутреннего сгорания, как и Китай, где уже трудно купить машину с бензобаком.

Несмотря на сложность изготовления, ЛИА становятся одним из самых массовых типов аккумуляторов, а их технические характеристики постоянно улучшаются. Если в 1991 году удельная энергоемкость этого источника энергии достигала порядка 120 ватт-часов на килограмм, то сейчас удвоилась и продолжает расти (считается, что предел в ее «традиционном» виде – порядка 350 Втч/кг). Объем рынка ЛИА увеличивается вместе с его характеристиками: сейчас он превышает 40 миллиардов долларов в год, а всего несколько лет назад оценивался лишь в 10 миллиардов. Это одна из самых бурно развивающихся отраслей науки и промышленности. Сотни (если не тысячи) компаний по всему миру выпускают источники энергии и их компоненты.

Но нас интересует, как обстоит дело в этой непростой области в нашей стране. Мы отправились на химический факультет МГУ к заведующему кафедрой электрохимии, профессору и члену-корреспонденту РАН Евгению Антипову (на снимке). Он возглавляет коллектив, активно работающий над созданием различных перспективных электродных материалов для аккумуляторов.

– Что касается России, то положение в этой бурно развивающейся сфере, мягко говоря, не очень. Хотя у нас есть практически все природные ресурсы для производства ЛИА. В основном это разнообразные металлы: никель, кобальт, ванадий, а также графит. Есть и литий, хотя по части дешевизны его добычи он уступает импортному, который мы закупаем в Южной Америке. Так что мощности для изготовления этих перспективных источников энергии есть, однако производим мы их очень мало и из импортных материалов. А их предостаточно: катодные и анодные, а также сепараторы, электролит…

– Возможно, в так называемые тучные годы проще было купить аккумуляторы за границей, чем производить самим?

– Да, средства на их покупку были. Но не было ясного понимания, зачем они нужны, тем более что производить их чрезвычайно сложно. Поэтому, скажем, в 2017-м объем отечественного рынка литий-ионных аккумуляторов составлял всего 0,3 % от мирового. Возможно, этого вполне хватало, например, для обеспечения космической отрасли, где накопители энергии применяются очень широко. Однако переход развитых стран к выпуску электротранспорта, развитию альтернативной энергетики солнца и ветра изменил положение кардинально. Производство надежных экономичных аккумуляторов стало одним из ведущих направлений технологического развития промышленности множества стран. Электромобили начали производить и у нас. Первой массовой моделью, похоже, будет «Москвич», правда, с импортным аккумулятором. Правительство приняло так называемую дорожную карту развития производства электротранспорта. И к 2030 году 15 % всего производимого в стране автотранспорта (250 000 машин) должны будут работать на электротяге. Для их обеспечения в Калининградской области построят завод по производству литий-ионных аккумуляторов.

Это, так сказать, производственная составляющая, но есть и научная. Поскольку у промышленности был ограниченный спрос на эти накопители энергии, то, мягко говоря, не особенно много внимания уделялось развитию фундаментальных и прикладных исследований. Вклад российской науки в этой области невелик. По количеству и качеству публикаций мы занимаем весьма скромное место, имея около 1 % статей в международных базах данных, что сопоставимо со Швецией, Турцией, Ираном. Для сравнения: у КНР – 50 %, у США – 16 %, у ФРГ – 6 %. Потому что в развитых странах это направление имеет мощную государственную поддержку, ведь от него зависят технологическое развитие страны, ее безопасность.

На мой взгляд, государственная поддержка научных исследований в столь важной области имеет первостепенное значение. Мало взять и закупить, скажем, 100 000 батарей аккумуляторов. Надо еще знать, как с ними обращаться, как их утилизировать. Значит, необходимо готовить кадры. Так не лучше ли быть независимыми в этой области и спешно развивать собственную научную базу, сконцентрировавшись на проведении глубоких фундаментальных исследований и на их базе прикладных? Для этого нужно объединить в консорциумы лаборатории научных институтов и предприятия, участвующие в выполнении дорожной карты, поскольку область исследований чрезвычайно сложная и конкуренция с мировыми лидерами предстоит жесткая. А пока таких объединений у нас практически нет.

– Ваша группа напечатала немало статей об источниках энергии в ведущих мировых журналах.

– Да, мы опубликовали ряд статей об открытии новых катодных материалов для аккумуляторов в ведущих международных изданиях, что было очень непросто. Чтобы представить редакции новый материал, необходимо разработать методику его синтеза и максимально полно его охарактеризовать, что требует нескольких лет напряженной работы целого коллектива. Подчеркну, это междисциплинарное направление нуждается в мощной научной и технологической базах, финансовой поддержке и, конечно, смелых идеях. Отмечу, что, оценив значимость нашей работы, нас поддержал Российский научный фонд и выдал самый значительный грант за создание лаборатории мирового уровня. Мы обязались разработать фундаментальные основы изготовления натрий-ионных аккумуляторов нового поколения. Для этого нужны более эффективные катодные и анодные материалы, определяющие основные характеристики аккумуляторов: их емкость и энергозапас. Это могут быть оксиды, фосфаты, углеродные материалы и др. Надо было не просто получить новое химическое соединение, но и определить оптимальную форму его частиц. И на этой основе сделать композитный материал и электроды. Только тогда можно было приступать к измерениям.

В нашей команде более 50 человек. Это ученые химического факультета МГУ, а также аспиранты и студенты химфака и факультета наук о материалах МГУ. Похожая по величине и составу группа действует и в Сколковском институте науки и технологий, профессором которого я также являюсь. Могу без лишней скромности сказать, что за последние годы у нас сложился высокопрофессиональный коллектив. Мы оформили около десятка патентов на впервые полученные материалы. Считаю, что они отвечают лучшим мировым стандартам.

– Материалы созданы, а кто их производит?

– Пока мы делаем это сами. Мощности есть и в Сколково, и на химфаке МГУ. Конечно, в будущем потребуются не десятки тонн в год, как сейчас, а гораздо больше. Дорожная карта требует к 2030 году выпускать 20 000 тонн катодных материалов. Понятно, что наше опытное производство и мелкие фирмы с такими объемами не справятся. Но проявили заинтересованность и крупные компании – «Рэнера», «Иненерджи» и другие. Однако не менее серьезная проблема состоит в том, что одного эффективного катодного материала недостаточно, нужны и многие другие: анод, электролит, сепаратор, фольга, корпус и т. д. Пока что все это импортируется из-за рубежа, в первую очередь из Китая.

Но есть поводы для оптимизма. Главное, считаю, что на различных уровнях управления сегодня понимают: без собственных эффективных технологий выпуска высококачественных материалов для производства аккумуляторов страна обречена на отставание. На это ученых нацеливает и Отделение химии РАН. Сейчас все упирается в многочисленные согласования и уточнения чрезвычайно важной научно-технической программы по производству основных аккумуляторных материалов. От ее освоения зависит прогресс множества отраслей науки и техники.

Подготовил Юрий Дризе.
Источник: мультимедийный портал «Поиск».