В начале XX века на дорогах было больше электромобилей, чем машин с двигателем внутреннего сгорания. Теперь виток спирали завершается: мы вернулись к тем временам, когда крупногабаритная техника приводилась в движение электроэнергией. Правда, теперь мы вооружены гораздо лучше во многом благодаря бурно развивающимся литий-ионным аккумуляторам. А устаревшие, но дешевые и пока популярные свинцово-кислотные батареи будут постепенно заменяться другими недорогими решениями, в первую очередь натрий- и калий-ионным аккумулятором.
Российские научные коллективы получили значительную поддержку Российского научного фонда для исследований в этой области и благодаря этому тоже вплотную приблизились к созданию полноценного прототипа натрий-ионного аккумулятора.
Стоит отметить, что цена не всегда является единственным приоритетом для выбора натрий- или калий-ионной системы вместо литий-ионной. Недавно мы проводили исследование структуры, в которую в качестве катодного материала обратимо внедрялся щелочной металл — натрий, литий или калий. И оказалось, что калий и натрий обладают существенно большими коэффициентами диффузии, чем литий. Эти ионы более подвижны, перемещаются с большей скоростью, что должно обеспечивать и большую мощность. Иными словами, аккумуляторы, имеющие в своем катоде натрий и калий, могут стать мощнее, чем литий-ионные.
Первые натрий-ионные аккумуляторы возникли приблизительно тогда же, когда и литий-ионные. Но литий-ионные аккумуляторы имеют более высокие удельные характеристики, чем натрий-ионные, поэтому ученые и производители сосредоточились на них. Но лет 10–15 назад ученые, вооруженные знаниями о литий-ионной системе и современными технологиями изготовления компонентов батареи, стали возвращаться к первоначальной идее — использовать ион натрия.
Конечно, у натрий-ионных аккумуляторов есть и недостатки. Натрий тяжелее лития, значит, и удельная емкость содержащих натрий материалов ниже. Катион натрия крупнее, и обратимое извлечение и внедрение того же количества катионов, что и в случае лития, вызывают большие изменения структуры материалов, что приводит к деградации аккумулятора. Эту проблему ученые пытаются решать, но окончательно пока не победили. Недавние прототипы натрий-ионных аккумуляторов демонстрируют плотность энергии 120–160 Вт•ч/кг, а литий-ионные — 250–280 Вт•ч/кг.
Но если в отношении катодных материалов есть консенсус, то какой материал использовать на аноде, по-прежнему неясно, а это вопрос довольно важный. К слову, литий-ионные аккумуляторы поставлены на конвейерное производство отчасти потому, что для них есть очень хороший, надежный анодный материал (графит). В отличие от лития, натрий в графит не внедряется, и для натрий-ионных аккумуляторов аналогичного материала пока нет. Ученые делают ставку на «твердый» углерод. Так называют неграфитизируемую форму углерода, материал перспективный, но предстоит выяснить, насколько он надежен и безопасен. Необходимо исключить сценарии, при которых натрий будет не внедряться в структуру твердого углерода, а высаживаться на его поверхности, постепенно образуя дендриты — формирования, которые могут со временем прорасти через сепаратор к катоду и вызвать внутреннее замыкание, что чревато взрывом аккумулятора.
Здесь стоит отметить, что в погоне за все более высокими удельными характеристиками (способность аккумуляторов запасать как можно больше энергии на единицу массы и объема) нельзя забывать о вопросах безопасности. Со временем при росте количества крупногабаритных источников энергии этот аспект станет ключевым. Одно дело, когда загорается батарея в смартфоне, и совсем другое, когда взлетает на воздух крупный стационарный накопитель — устройство, которое имеет значительный запас энергии и внутри состоит сплошь из горючих материалов: органического электролита, органических полимерных связующих, сильных окислителей и проч. Например, при инициации какой-нибудь реакции (скажем, при повышении температуры из-за внутреннего или внешнего короткого замыкания) катодный материал в заряженном состоянии может выделять кислород и начать активно взаимодействовать с органическими компонентами аккумулятора, что может привести к быстрому возгоранию.
Во избежание подобных инцидентов крупные производители начали интенсивно проводить исследования для замены жидкого электролита, состоящего из органических легковоспламеняющихся компонентов, и переходить на полимерный, значительно менее горючий, либо на керамический. Чтобы избежать возгорания внутри аккумуляторов, производители также вносят различные специальные добавки — например, пламегасители — и используют в катодном материале вещества, которые не выделяют кислород при повышении температуры, то есть не становятся источником окислителя, который будет бурно реагировать с органическими компонентами. Все эти задачи последовательно решаются, и по мере того, как аккумуляторы становятся все более безопасными, расширяются области их использования.
Сегодня все крупные производители представляют линейки электромобилей, а некоторые — например, Volvo — уже называют год, когда полностью откажутся от производства автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Россия же как в научном, так и производственном отношении сильно отстает: количество статей на тему литий-ионных аккумуляторов сопоставимо со странами вроде Турции или Мексики — намного меньше, чем во Франции, Японии, Южной Корее, Китае или США. Что касается производства, то Россия уступает лидерам рынка просто катастрофически.
Что это значит? Во-первых, производства полного цикла в России в принципе быть не может, так как не производятся ключевые компоненты нужного качества — катод, анод, электролит, сепаратор и т. д. Все это в основном поставляется из-за рубежа, что позволяет некоторым компаниям выпускать небольшое количество литий-ионных аккумуляторов для узких нишевых применений.
Во-вторых, нет никакой государственной программы поддержки производства и потребления в области источников тока и устройств на их основе — например, электромобилей. В некоторых городах — например, в Москве и Новосибирске — есть «локальные» инициативы местных властей, стимулирующих муниципальные автопарки к развитию общественного электротранспорта, но «поднять» целую индустрию эти меры не смогут. Действительно, электробусы катаются по Москве, их становится все больше, но все они работают на аккумуляторах, произведенных не в России — все на импортных материалах. Это довольно печально, потому что Россия экспортирует много сырья — например, никель, кобальт и другие металлы,— сырье продается, иностранные предприятия делают из этого сырья материалы и аккумуляторы, а затем продают их для наших электробусов — естественно, с существенно большей добавочной стоимостью. Нет сомнений в том, что российские производители могут наладить производство полного цикла, так как все для этого в стране есть, но для инициирования процесса нужна серьезная государственная поддержка, в том числе, возможно, на законодательном уровне.
