Публиченко Павел Андреевич / Pavel A. Publichenko
Наука и знание - лучшее средство от бедности и недоедания
Публиченко Павел Андреевич

Яндекс цитирования

Нанотехнологии и интересные разработки

Источник питания требует замены

В 2009 году принят проект госкорпорации «Роснано» о создании в Новосибирской области первого в России производства литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Завод будет построен совместно с китайской компанией Thunder Sky Group Limited – одним из мировых лидеров в серийном производстве батарей для электротранспорта. Масштаб инвестиций в проект – 13,88 млрд руб., завод с производительностью 12 тыс. батарей в год должен быть введен в строй в этом году.

Три города претендовали на реализацию такого проекта – Новосибирск, Пермь и Санкт-Петербург.

Новосибирск был выбран благодаря сотрудничеству крупнейшего производителя лития – Новосибирского завода химконцентратов (НЗХК), и разработчика уникальной технологии получения катодного материала для литий-ионных аккумуляторов – Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН (ИХТТМ СО РАН). Поскольку к 2014 году на новосибирском заводе литий ионных аккумуляторов планируется произвести полное импортозамещение, в 2010 году «Роснано» поддержало еще один совместный проект НЗХК и ИХТТМ – по запуску в серийное производство нового нанокомпозиционного материала на основе железофосфата лития, разработанного сибирскими химиками. О преимуществах создаваемой технологии и перспективах, которые открывает перед Россией развитие наукоемких отраслей промышленности, рассказывают директор ИХТТМ СО РАН членкорр. РАН НИКОЛАЙ ЛЯХОВ и научный руководитель проекта, старший научный сотрудник того же института, к.х.н. НИНА КОСОВА.

Литий-ионные аккумуляторы используются лет десять. Почему возникла необходимость их совершенствования?

Николай ЛЯХОВ: На самом деле история началась еще раньше – первые литиевые элементы питания появились в электронных часах. Вспомните, нам было в диковинку, что батарейку можно было не менять пять лет. На этой основе позднее были разработаны и аккумуляторы. До них были никель-металл-гидридные, а до того – никель-кадмиевые. Кстати, все эти аккумуляторы до сих пор используются в некоторых переносных устройствах, невзирая на то, что кадмий во многих странах запрещен к ввозу как один из самых вредных химических элементов. Каждая отрасль – электроника, автомобилестроение и пр. – требует своих аккумуляторов. Главное условие – чтобы источники питания были перемещаемыми. Литий позволил перейти в батареях с 1,5 до 3 В.

Электроника развивалась скачками, и полупроводниковый стандарт, на который сразу вышли во всем мире при производстве компьютерных устройств – 5 В (изредка 9 или 12). Чтобы набрать 5 В из полутора, нужно четыре батарейки. Если использовать литиевые аккумуляторы, достаточно двух элементов – спрос на них сразу вырос во всем мире. Но главное – емкость! Сегодня серьезные компании ставят серьезные задачи. Ноутбуки еще пару лет назад работали без зарядки максимум 2,5 ч. А требуется 14 ч – столько времени занимает самый долгий беспосадочный перелет. Сегодня японцы решают эту проблему просто – два съемных аккумулятора, по 7 ч каждый. Но это не очень удобно: лишний вес, лишние деньги. Простая калькуляция подталкивает к совершенствованию автономных источников питания.

Почему вообще появились литиевые аккумуляторы? Мечта каждого разработчика – создать наиболее легкое устройство. Легче, чем литий, элементов с хорошим соотношением удельной энергии и массы нет. Сначала появились литиевые батареи на сульфидах титана, молибдена. Но напряжение, которое давали эти батареи, было не слишком высоким. Поэтому для использования в качестве катода в аккумуляторах нашли материал, способный к обратимой интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития – кобальтат лития. Его превосходство основано на улучшенных рабочих характеристиках – высоком напряжении, максимальном количестве циклов заряда-разряда, работоспособности при различных температурах (от –40 до +55 градусов).

Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы от остальных? Тем, что вы можете начать заряд и разряд в любой момент, тогда как другой тип батарей это вывело бы из строя.

Но у кобальтата лития выявились и существенные недостатки – высокая стоимость сырья, токсичность и взрывоопасность. Аккумуляторы с кобальтатом лития нельзя заряжать выше 4,2 В, иначе из структуры катодного материала выделяется кислород и аккумулятор взрывается. Поэтому во всех наших сотовых телефонах, увеличивая их вес и цену, стоят ограничители напряжения, поскольку у кобальтата лития ограничен интервал напряжений, что позволяет использовать только 50% активной массы катода – то есть фактическая емкость равна половине теоретической. Согласитесь, это не всегда приемлемо, учитывая дороговизну материала. Практически все источники кобальта, которых в мире немного, оказались сосредоточенными в одних руках (компания «Юмикор»). Когда мы впервые начали пытаться синтезировать кобальтат лития, выяснилось, что исходное сырье – оксид кобальта – стоит на рынке столько же, сколько готовый катодный материал. Соответственно, начинать производство смысла не было.

В природе литий находится в виде солей. Самый крупный поставщик карбоната лития – Чили, но встречается он и в других странах Южной Америки. Второй источник сырья – озера, где концентрация ионов лития очень высока. Например, недавно такие озера нашли в Монголии, наш институт участвовал в экспедициях. Был разработан процесс переработки литийсодержащих вод. Тем не менее все исходное сырье для литий-ионных аккумуляторов находится в дефиците. Люди быстро поняли, что за этим будущее и деньги. И те, кто сейчас имеет доступ к сырью, диктуют на него мировые цены.

Когда встал вопрос о производстве крупногабаритных аккумуляторов для экологически чистого транспорта, мировое научное сообщество задумалось об исследовании других соединений, пригодных для этих целей. Для электромобилей очень важно иметь высокомощные источники энергии, поэтому должны быть материалы, которые могли бы работать при больших напряжениях и при больших токах. Для того чтобы получить такие вещества, нужны материалы с высокой электронной и ионной проводимостью. И получать их нужно в наноразмерном состоянии. Какой наиболее дешевый и распространенный элемент? Железо. Американский физик Джон Гудэнаф – кстати, его перу принадлежат все пионерские работы по катодным материалам – в 1996 году получил железофосфат лития и предложил его в качестве катодного материала. Литий-железофосфат – самый химически и структурно устойчивый катодный материал, он может выдерживать максимальное число циклов заряда-разряда.

Однако у железофосфата выявился огромный недостаток: это соединение – диэлектрик, проводимость очень низкая. А все электродные материалы должны быть смешанными проводниками. В 2000 году японский ученый Ацуо Ямато первым показал, что в наноразмерном состоянии же лезофосфат лития способен работать в качестве катодного материала в аккумуляторе. А представитель Канады Мишель Арманд в том же году продемонстрировал, что если соединение синтезировать в наноразмерном состоянии и нанести на поверхность его частиц слой высокопроводящего углеродного покрытия, то литий-железофосфат практически ни в чем не уступает кобальтату лития.

В данной сфере все происходит очень быстро, и шаги от научной мысли до внедрения довольно короткие. Так, Джон Гудэнаф получил кобальтат лития в 1986 году, а уже в начале 1990-х Sony начала производить аккумуляторы на его основе. Синтезировать железофосфат лития сложнее, к тому же он выходил на рынок, заполненный кобальтатом, поэтому до открытия первого производства аккумуляторов прошло в два раза больше времени: завод в Квебеке заработал только в 2010 году. Сейчас разрабатываются новые виды аккумуляторов. Например, литий-серные и литий-воздушные аккумуляторы. В Америке они начали изучаться только в последние годы, но у них тратят на такие исследования миллиарды долларов.

Америка, Канада, Япония… Как в этой цепочке передовых в плане технологий государств возникла Россия?

Нина КОСОВА: По железофосфату лития идет настоящая патентная война: упомянутый Джон Гудэнаф с компанией зарегистрировал на свое имя патенты по всем катодным материалам практически во всех развитых странах. Россию сочли слишком отсталой. Вопреки их мнению, именно наш институт стал разработчиком уникальной технологии получения железофосфата лития. Есть разные способы производства железофосфата – жидкофазный, твердофазный, расплавный. Чтобы участвовать в конкуренции, продукт должен быть хороший и дешевый. Мы испробовали разные исходные компоненты и остановились на оксиде железа. Пробовали разные комбинации реагентов, применив карботермический способ получения железофосфата лития с высокоэнергетической механической обработкой. Такой метод предлагали и канадские ученые, но их шаровые мельницы гораздо менее эффективны, чем планетарные виброцентробежные мельницы, разработанные в ИХТТМ. Если в шаровых мельницах используется только одно механическое воздействие – в одних конструкциях – удар, в других – сдвиг, то в планетарных мельницах одновременно осуществляются два воздействия – удар и сдвиг. Планетарными они называются потому, что барабаны вращаются как вокруг собственной оси, так и вокруг общей, подобно планетам в Солнечной системе. В итоге процесс занимает не 20 ч, а несколько минут, и размеры частиц гораздо меньше.

Николай ЛЯХОВ: Во-первых, технология полностью безотходная: исходные реагенты могут быть разными, а на выходе получаем готовый катодный материал. Во-вторых, в качестве сырья берутся недорогие и никем еще не использованные соединения. В-третьих, абсолютно «зеленая химия»: никакие вредные выделения не попадают в окружающую среду.

Словом, самая простая и химически «стерильная» технология из всего, что можно было придумать. Сейчас патентуем ее в России, а потом сразу надо будет подавать международную заявку.

Планируется ли научное сопровождение на всех этапах реализации проекта по производству литий-ионных аккумуляторов: постановка технологии, дальнейшее совершенствование?

Николай ЛЯХОВ: Вы совершенно правильно ставите вопрос. Хотите быть на рынке в числе крупных игроков – надо вкладывать в исследования. Увы, пренебрежение развитием всегда оборачивается печально. Могли ли вы лет 20 назад представить, что у такой отрасли, как Росатом, нет ясного видения перспектив развития? Подобные проблемы ждут и «Роснефть», и «Газпром», и угольную промышленность. Сегодня работаем на западной технике, завтра будем покупать западные технологии. А покупка технологий ведет в тупик: если сегодня покупаешь комплексную технологию, нужно отдавать себе отчет, что сделана она лет 10 – 15 назад.

Завод ставится лет на 50 вперед.

Страна обречена на отставание на весь этот срок, в то время как высокотехнологичный Запад и высокотехнологичный Восток не стоят на месте: тысячи голов и миллиарды долларов работают над новыми изобретениями и усовершенствованиями. Хотим быть конкурентоспособными – нужно постоянно развиваться. Наше сотрудничество с китайской компанией – хороший пример привлечения иностранных инвестиций в отечественное наукоемкое производство. Но нужно понимать, что такого типа завод, который ставят китайцы, уже лет на пять отстал от жизни. Мы сразу ставили вопрос о центре научно-технического сопровождения, он даже прописан в меморандуме проекта. До реализации, правда, пока не дошло.

Надеюсь, такая корпорация, как ТВЭЛ, будет ставить перед собой амбициозные цели. К счастью, потенциал у российских ученых пока есть. Например, Иркутский институт химии СО РАН разработал прекрасные добавки к электролитам, позволяющие дольше их эксплуатировать без окисления и значительно увеличить количество циклов заряда-разряда. У ОАО «ТВЭЛ» есть возможность организовать производство усовершенствованных электролитов в своей структуре – например, в Ангарске. Словом, кластер развивается буквально на наших глазах.

Тем временем мы прикладываем все усилия, чтобы убедить городские власти и бизнес сделать Новосибирск столицей электротранспорта. На выставке «Экспо» в Шанхае я ездил на электрифицированном городском автобусе. Просто чудо! Качество жизни с переходом на такой транспорт меняется в разы – ни выхлопов, ни загряз нений. Конечно, китайская сторона скупит все произведенные на новом заводе аккумуляторы, тем более производить их планируется не так уж много – 12 тыс. батарей в год. Однако не лучше ли было бы применять их в России? Оказалось, новосибирские инженеры давно уже работали над проектами создания гибридного троллейбуса, задумывались и об электротранспорте. Надеюсь, в ближайшее время в городе появятся гибридные троллейбусы и гибридные трамваи. В проектах «Роснано» заложены огромные возможности для развития — развития на собственной базе, собственных технологиях, собственных материалах. Для будущего Новосибирска эти проекты вполне сравнимы со строительством третьего моста через Обь. – Институт химии твердого тела и механохимии быстро и уверенно выходит в лидеры в области нанотехнологий: участвует уже в трех проектах «Роснано» (два в Новосибирске, один на Урале), рассматривается четвертый проект (по производству нанокерамики с заводом НЭВЗ-Союз), на подходе пятый (по производству анода для литий-ионных аккумуляторов по новой технологии)…

Николай ЛЯХОВ: Механохимия – наука молодая, нет еще 40 лет. Наш институт стал конкурентоспособным, несмотря на малые силы – всего-то 80 научных сотрудников. Просто в какой-то момент мы от режима накопления знаний, удовлетворения, так сказать, научного любопытства перешли к практической реализации результатов исследований. Во-первых, привыкли работать в «режиме нано». Во-вторых, почувствовали востребованность. В-третьих, увидели много направлений, где можно применить один и тот же подход – в синтезе катодного материала, в производстве нанокерамики, в создании лекарственных веществ. Научный формат оказался универсальным, несмотря на простоту.

Когда в 1998 году на международной конференции по ионике твердого тела я впервые рассказала, что мы синтезируем наноразмерные катодные материалы, это было новым и необычным – до того момента все синтезировали только материалы микронных размеров.

Мы действительно были пионерами в этой области. И если бы в тот момент получили финансовую поддержку, то и завод был бы построен на десять лет раньше. Сейчас все страны работают в области литий-ионных аккумуляторов, кроме России. Поэтому наш проект – большое и важное дело для страны. Главное, что на международной арене уже прозвучало: Россия начала двигаться в этом направлении. Нужно ликвидировать технологическое отставание – наши военные, например, до сих пор используют устаревшие типы аккумуляторов на подводных лодках, в системах наведения, в космической отрасли. Все это можно и нужно поднять на качественно новый уровень.

Автор: Ольга Колесова
Источник:РБК daily, 11.03.2011

Предыдущая 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 »» 8 Следующая

В начало

© 2008—2012 «Публиченко Павел Андреевич» E-mail: О сайте