ЛИА: на пути к совершенству

Расскажите, пожалуйста, вкратце об истории появления литийионных аккумуляторов.

Обычно от идеи до повсеместного использования технологии проходят десятилетия или даже века. Но накопители завоевали мир достаточно быстро.

Идея литийионного аккумулятора возникла в 1970 году, а уже в 1972‑м британский химик Майкл Стэнли Уиттингем создал перезаряжаемый литиевый аккумулятор с катодом из дисульфида титана и анодом из металлического лития. Однако эта батарея была нестабильной. В 1980 году британец Джон Гуденаф предложил сделать катод из кобальтата лития (LiCoO₂); его конструкция на какое-то время стала основой литийионных аккумуляторов. А еще через пять лет японец Акира Ёсино заменил металлический литий на углеродный материал (кокс), что сделало батареи более безопасными. В начале 1990‑х компания Sony выпустила первый промышленный литийионный аккумулятор, пользовавшийся высоким спросом. А в 2019 году М. Уиттингем, Д. Гуденаф и А. Ёсино получили Нобелевскую премию по химии за вклад в создание литийионных аккумуляторов.

Каков основной принцип их работы?

Литийионные аккумуляторы состоят из трех основных рабочих компонентов: катода (положительного электрода), анода (отрицательного электрода) и электролита, обеспечивающего перенос ионов лития между ними. В ходе работы аккумулятора ионы переносятся с анода на катод; в процессе заряда под воздействием разности потенциалов происходит обратный процесс.

Как и где сейчас применяются ЛИА?

Первые аккумуляторы использовались в основном в портативных устройствах: мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах. Эта область их применения остается актуальной и сегодня. Однако в последние годы забота человечества об экологии сделала востребованными возобновляемые источники энергии, использование которых для стабильного энергоснабжения невозможно без накопителей энергии. Поскольку загрязнение атмосферы в крупных населенных пунктах в первую очередь обусловлено транспортными средствами, лидером в использовании ЛИА стал электротранспорт: он поддерживает экологию мегаполисов, с каждым годом наращивая запас хода и надежность. Востребованность ЛИА в последние годы растет по экспоненте во всем мире.

Проблема, которая многих волнует, — ​пожароопасность литийионных аккумуляторов. Насколько легко они возгораются?

Возгорание литийионного аккумулятора может произойти, если изделие неправильно заряжается, нарушаются условия его работы или произошло механическое повреждение. При корректной эксплуатации ЛИА — ​будь то автомобиль, грузовая техника или электронное устройство — ​вероятность его возгорания ничтожно мала.

Кстати, горящие ЛИА в заряженном состоянии нельзя тушить водой. Основная задача — ​ограничить доступ кислорода к нему. Для этого подходят песок и негорючие материалы: брезент, асбестовые покрытия.

Каковы основные тренды технологического развития накопителей?

Ключевой тренд — ​повышение энергоемкости. Это необходимо для уменьшения массы и размера портативных электроприборов, беспроводного инструмента, электротранспорта.

Однако при увеличении энергоемкости, к сожалению, как правило, снижается безопасность ЛИА. За энергоемкость в батарее отвечает в первую очередь катодный материал, емкость которого примерно вдвое ниже, чем анода, соответственно, его доля в массе аккумулятора гораздо больше. Так что производители батарей ищут как можно более эффективные катоды.

Изначально в качестве катода в ЛИА, как уже было сказано, использовался кобальтат лития — ​в нем кобальт при заряде переходил в четырехвалентное состояние. Но диоксид кобальта термодинамически нестабилен и в чистом виде разлагается с большим тепловыделением. Поэтому такой аккумулятор нельзя было зарядить больше чем наполовину из-за угрозы самовозгорания. При быстром заряде оно могло произойти из-за образования диоксида кобальта на поверхности. Поэтому производители перешли к смешанным оксидам никеля, марганца и кобальта (NMC): такая система обеспечивает бо́льшие безопасность и производительность. Правда, из трех элементов только марганец стабилен в четырехвалентном состоянии, а NiО₂ — ​нестабильный материал. Основной путь к увеличению энергоемкости сегодня — ​повышение содержания никеля в NMC: от 33 % перешли к 60 %, в современных батареях оно составляет 80 % и движется к 90 %. Но главная проблема материалов с 90 % содержанием никеля в том, что они небезопасны. При перегреве или в процессе заряда такой аккумулятор может загореться. Поэтому для них нужны системы охлаждения и контроля.

Существуют и альтернативные варианты, например, китайские производители в большинстве своих аккумуляторов возвращаются к катодам из феррофосфата лития (LiFePO₄ — ​LFP): такие батареи обладают существенно меньшей энергоемкостью, зато гораздо более безопасны и дешевы.

Скорее всего, аккумуляторы с различными типами катодов будут применяться в разных нишах, например, LFP — ​для стационарных накопителей энергии и бюджетного электротранспорта, NMC — ​для портативных электроприборов и некоторых транспортных средств.

Однако высокая энергоемкость — ​не единственное требование к современным аккумуляторам. Важна также скорость заряда. Особенно критично это для электротранспорта: ни один владелец автомобиля не готов часами пить кофе на заправочной станции. В этом плане перспективны аккумуляторы с наноматериалами — ​в случае частиц меньшего размера путь ионов лития от периферии до центра частицы оказывается существенно короче. Это сокращает время заряда — ​уже существуют аккумуляторы, способные зарядиться за 10−15 минут.

Есть и более долгосрочный технологический тренд — ​возращение к очень компактным литиевым анодам, от которых в какой-то момент отказались, так как при использовании жидких электролитов такой аккумулятор становится небезопасным. Однако при замене жидкого электролита на твердый (полимерный, композиционный или даже неорганический, обладающие высокой ионной проводимостью) такой аккумулятор вновь станет безопасным.

Если эта технология так привлекательна, почему она не получила широкого распространения?

Масштабное производство твердотельных аккумуляторов — ​сложный технологический процесс, для оптимизации которого требуется время. Представьте себе контакт между твердым катодом или анодом и твердым электролитом. Даже после шлифовки их поверхности останутся шероховатыми, а значит, контакт будет осуществляться точечно. Это создаст дополнительное сопротивление, понижающее мощность аккумуляторов. Отдельная непростая задача — ​получение тонких беспористых пластин электролита; на этом направлении исследователи уделяют основное внимание полимерным и композиционным электролитам.

Разработки твердотельных аккумуляторов ведутся как научными группами, так и производственными компаниями, однако до масштабного промышленного производства полностью твердотельных ЛИА дело пока еще не дошло. Отдельные успешные примеры использования таких батарей уже есть, например, автомобили с аккумуляторами на основе полимерных электролитов, содержащих соли лития с крупными анионами.

Твердотельные ЛИА разрабатываются и в России. Ученые «Росатома» изготавливают экспериментальные образцы таких батарей, аналогичные работы ведутся в МГУ, в ИОНХ РАН и в других научных организациях.

Какие страны лидируют в области производства накопителей?

Производство ЛИА — ​сложная технологическая цепочка, создать которую с нуля достаточно сложно. Крупнейшие производители литийионных аккумуляторов, занимающие до 90 % рынка, — ​это Китай, Япония и Южная Корея. Правительство Китая делает в развитие этой отрасли очень крупные дотации и приняло решение об ограничении экспорта технологий в другие страны.

Как и где добывают литий?

Первая тройка стран по добыче лития — ​это Чили, Аргентина и Боливия, так называемый литиевый треугольник. В соленых водах их водоемов концентрация лития может достигать 1 %. Однако в природных источниках литий всегда содержится в смеси с другими щелочными металлами — ​натрием и калием. Для того чтобы отделить от них литий, используют карбонат натрия. Этот метод основан на уникальном свой­стве карбоната лития — ​в отличие от соединений других щелочных металлов, он имеет низкую растворимость и выпадает в осадок, что позволяет получить относительно чистый продукт. Рассматривается также возможность извлечения лития из морских и шахтных вод.

Альтернативный источник лития — ​алюмосиликатные горные породы. Их переработка требует несколько более сложной технологии — ​первоначальной кислотной обработки для «вскрытия» породы с последующим выделением карбоната лития по аналогичной схеме. В дальнейшем из полученного карбоната производят различные литийсодержащие соединения.

Некоторые эксперты опасаются, что литий будет стремительно дорожать. А как думаете вы?

Этим прогнозам уже не один год, и пока они не оправдываются. Аналогичная ситуация наблюдалась с нефтью: прогнозы об истощении ее запасов к рубежу XX-XXI веков не сбылись. Хотя самые богатые и доступные нефтяные месторождения действительно сокращаются, новые технологии добычи и переработки позволяют поддерживать объемы ее производства. Россия, в частности, остается одним из крупнейших поставщиков нефти.

Несмотря на ежегодное увеличение объемов производства литийионных аккумуляторов, их общая стоимость остается относительно стабильной. Фактически рост производства ЛИА компенсируется снижением их себестоимости за счет технологических инноваций.

Какие технологии, помимо литийионной, существуют в области накопителей энергии?

Исследователи рассматривают решения на основе магния, алюминия, натрия и калия. Однако единственная реальная альтернатива ЛИА в перспективе — ​натрийионные аккумуляторы. Их ключевое преимущество — ​огромная сырьевая база: натрия в земной коре на три порядка больше, чем лития.

Однако у натриевых технологий есть существенные недостатки. Во-первых, у натрия более высокая масса, что снижает удельную энергоемкость аккумуляторов. Во-вторых, больший радиус иона ухудшает кинетику процессов внедрения/извлечения, а это, в свою очередь, снижает энергоемкость батарей. Поэтому в обозримом будущем производство натрийионных аккумуляторов останется ограниченным. Вряд ли они будут использоваться в бюджетных видах транспортных средств или в портативной электронике. Думаю, основная ниша их применения — ​крупные стационарные накопители энергии.

Говорить о практическом применении систем на основе переноса других ионов, на мой взгляд, рано — ​это технологии не сегодняшнего и даже не завтрашнего дня. Для их коммерциализации потребуется не менее десяти лет разработок; технологические барьеры делают их неконкурентоспособными в обозримой перспективе.

Каковы, на ваш взгляд, перспективы развития производства накопителей в России?

Перспективы хорошие, причем на всех этапах технологической цепочки. В России есть собственные, и довольно значительные, запасы лития. Совместное предприятие «Росатома» и "Норникеля" разрабатывает крупнейшее в стране литиевое месторождение — ​Колмозерское. Еще один многообещающий источник лития — ​так называемые шахтные воды, возможности их освоения обсуждаются в экспертной среде.

Предприятия «Росатома» наладили производство ключевых литиевых соединений: карбоната (Li₂CO₃), гидроксида (LiOH) и металлического лития. Одна из важнейших задач — ​производство катодных материалов, ее также решают «Росатом» совместно с "Норникелем".

Уже в этом году в Калининграде «Росатом» открывает первую гигафабрику по выпуску литиевых батарей, а в 2026 году вторая гигафабрика откроется в Подмосковье. Каждое из этих предприятий сможет ежегодно выпускать аккумуляторы общей мощностью 4 ГВт·ч. Раньше такие аккумуляторы у нас делали только в небольших количествах — ​в основном для космоса и авиации; сейчас их производство становится массовым. Важно, что на них есть спрос: у "Росатома" достигнуты договоренности с производителями электротранспорта и правительством Москвы, производителями средств общественного транспорта, грузовиков о приобретении продукции гигафабрик. Правительство России также поддерживает развитие этого направления.

В структуре ТВЭЛ создан Центр химических источников тока (ХИТ), где ведутся перспективные разработки новых систем накопления энергии. Мы исследуем различные комбинации катодных и анодных материалов, экспериментируем с конструктивными решениями. При московской гигафабрике будет создан крупный исследовательский центр, задачей которого станет совершенствование отечественных литий-­ионных технологий. Все эти передовые решения будут внедряться на российских производственных площадках.

Уверен, в ближайшем будущем накопители, основанные на отечественных решениях, вой­дут в нашу повседневную жизнь.