- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Натрий вместо лития, или Как создают аккумуляторы будущего

Каж­дый день вы и еще несколь­ко мил­ли­ар­дов чело­век под­за­ря­жа­е­те свои мобиль­ные теле­фо­ны, ноут­бу­ки и про­чие гад­же­ты, запа­сая энер­гию в мини­а­тюр­ном литий-ион­ном акку­му­ля­то­ре. С ростом рын­ка элек­тро­мо­би­лей и воз­об­нов­ля­е­мой энер­ге­ти­ки встал вопрос об аль­тер­на­ти­ве литию для акку­му­ля­то­ров: этот металл рас­тет в цене, и на пла­не­те его не так мно­го. Иссле­до­ва­те­ли раз­ных стран рабо­та­ют над совер­шен­ство­ва­ни­ем суще­ству­ю­щих и поис­ком новых тех­но­ло­гий для накоп­ле­ния энер­гии. Кор­ре­спон­дент ТрВ-Нау­ка Алек­сей Огнёв побы­вал в Цен­тре по элек­тро­хи­ми­че­ско­му хра­не­нию энер­гии Скол­ков­ско­го инсти­ту­та нау­ки и тех­но­ло­гий и попы­тал­ся выяс­нить, как будут устро­е­ны акку­му­ля­то­ры ново­го поко­ле­ния.  

В пер­ча­точ­ные шка­фы зака­чан аргон, что­бы элек­тро­лит и анод не дегра­ди­ро­ва­ли на воз­ду­хе

Сухой аргон в перчаточном шкафу

Мы с аспи­ран­том Мак­си­мом Захар­ки­ным спус­ка­ем­ся в под­вал четы­рех­этаж­но­го сине­го кор­пу­са на ули­це Нобе­ля в Скол­ко­во и вхо­дим в элек­тро­хи­ми­че­скую лабо­ра­то­рию. Я маши­наль­но хочу пожать руку дру­го­му аспи­ран­ту в белом хала­те, но вне­зап­но обна­ру­жи­ваю, что осу­ще­ствить акт веж­ли­во­сти слож­но: аспи­рант как буд­то бы в колод­ках! При­смот­рев­шись, я вижу, что он про­сто-напро­сто про­су­нул руки в рези­но­вых пер­чат­ках в шкаф с про­зрач­ной стен­кой. Я вклю­чаю дик­то­фон (кста­ти, как мне рас­ска­жут поз­же, он рабо­та­ет на щелоч­ных одно­ра­зо­вых бата­рей­ках с цин­ком и диок­си­дом мар­ган­ца), и аспи­рант, не выни­мая руки из шка­фа, рас­ска­зы­ва­ет о сво­ей рабо­те. Мне уже дово­ди­лось брать интер­вью у робо­тов и губер­на­то­ров, но в таких обсто­я­тель­ствах я рабо­таю в пер­вый раз в жиз­ни…

Андрей Чекан­ни­ков

 — Как Вас зовут?

— Андрей Чекан­ни­ков.

—Андрей, а что Вы сей­час дела­е­те?

Я полу­чил от кол­лег элек­трод­ный мате­ри­ал для натрий-ион­но­го акку­му­ля­то­ра и наме­рен его про­те­сти­ро­вать. Какую емкость он пока­жет, какое коли­че­ство цик­лов заря­да-раз­ря­да. Для нача­ла я изго­то­вил элек­трод­ную смесь на осно­ве порош­ка, сей­час делаю элек­тро­ды с метал­ли­че­ским натри­ем. Собе­ру маке­тик акку­му­ля­то­ра и поне­су заря­жать на потен­ци­о­ста­тах-галь­ва­но­ста­тах.

— И что это за шкаф такой?

Здесь в бок­се атмо­сфе­ра сухо­го арго­на. Элек­тро­лит и метал­ли­че­ский анод дегра­ди­ру­ют на воз­ду­хе и пере­ста­ют долж­ным обра­зом рабо­тать.

Аргон — инерт­ный газ, — под­клю­ча­ет­ся к бесе­де Мак­сим. — Он почти не всту­па­ет в хими­че­ские реак­ции. Чистый метал­ли­че­ский натрий не дол­жен вза­и­мо­дей­ство­вать с водой и кис­ло­ро­дом. Их кон­цен­тра­ция внут­ри пер­ча­точ­но­го шка­фа — одна части­ца  на 10 млн ато­мов арго­на. Види­те, это чис­ло высве­чи­ва­ет­ся на экране. В нашем бок­се натрий несколь­ко часов бле­стит, но потом всё рав­но покры­ва­ет­ся плен­кой из-за реак­ции с водой и кис­ло­ро­дом. А на воз­ду­хе это про­ис­хо­дит момен­таль­но. Натрий-ион­ные акку­му­ля­то­ры нача­ли иссле­до­вать в вось­ми­де­ся­тые годы, но тогда еще не было настоль­ко чистых пер­ча­точ­ных шка­фов. Это одна из при­чин, по кото­рым элек­тро­хи­ми­ки ста­ли серьез­но рабо­тать с натри­ем отно­си­тель­но недав­но.

— Андрей, поче­му Вы рабо­та­е­те вруч­ную? Робот не спра­вит­ся?

А. Ч.: Слиш­ком мно­го нюан­сов. На заво­де опе­ра­ции стан­дарт­ные. А у нас нау­ка, сра­зу мно­го пара­мет­ров изме­ня­ем.

— Кто про­из­во­ди­тель это­го шка­фа?

А.Ч.: Гер­ма­ния.

М. З.: Наша тех­ни­ка в лабо­ра­то­рии в основ­ном заку­па­лась в США и Евро­пе. В Рос­сии тоже дела­ют пер­ча­точ­ные шка­фы, и непло­хие. Но там есть свои осо­бен­но­сти.

— Кто ваш науч­ный руко­во­ди­тель?

А.Ч.: Про­фес­сор Кит Сти­вен­сон, дирек­тор наше­го Цен­тра. Я его пер­вый аспи­рант.

М.З.: А я его пер­вый маги­странт. У нас с Андре­ем интер­вью-собе­се­до­ва­ние было в один день четы­ре года назад.

— И сей­час интер­вью в один день!

А. Ч.: Сов­па­де­ние? Не думаю…

— Где вы учи­лись рань­ше?

А. Ч.: Я окон­чил МЭИ. Посту­пил туда, пото­му что это бли­жай­ший вуз к мое­му дому… Шут­ка! Про­сто мне все­гда была инте­рес­на энер­ге­ти­ка. Я уже рабо­тал в Кур­ча­тов­ском инсти­ту­те и в Инсти­ту­те Физи­че­ской Химии и Элек­тро­хи­мии Ака­де­мии наук.

М.З.: Я изна­чаль­но из Поли­те­ха в Пите­ре.

— И когда ваш акку­му­ля­тор попа­дет на рынок?

А.Ч.: Шан­сы все­гда есть. Но это дол­гая и кро­пот­ли­вая рабо­та.

М. З.: Обра­тим­ся к исто­рии. Мате­ри­ал, кото­рый сей­час рабо­та­ет в акку­му­ля­то­ре ваше­го теле­фо­на, в 1980-х пред­ло­жил Джон Гуд­энаф (John Goodenough), в то вре­мя руко­во­див­ший лабо­ра­то­ри­ей неор­га­ни­че­ской химии в Окс­фор­де (сей­час он про­фес­сор Техас­ско­го Уни­вер­си­те­та в Остине). А ком­мер­че­ские акку­му­ля­то­ры на его осно­ве впер­вые нача­ли исполь­зо­вать­ся толь­ко в 1991 году ком­па­ни­ей Sony в пор­та­тив­ных видео­ка­ме­рах. Путь из лабо­ра­то­рии до мага­зи­на занял 10 лет.

А.Ч.: При­чем Гуд­энаф был дале­ко не пио­не­ром в этой обла­сти. Экс­пе­ри­мен­ты шли еще с нача­ла 1970-х годов.

М.З.: А мы рабо­та­ем не так уж дол­го. Но уже есть пер­вые пуб­ли­ка­ции.

— Спа­си­бо, Андрей! Не буду Вас отвле­кать… Пло­до­твор­но­го дня!

Мак­сим Захар­кин под­го­тав­ли­ва­ет элек­тро­хи­ми­че­скую ячей­ку для operando экс­пе­ри­мен­та на рент­ге­нов­ском дифрак­то­мет­ре

Это инте­рес­но: Сей­час акку­му­ля­то­ры вос­тре­бо­ва­ны так­же в воз­об­нов­ля­е­мой энер­ге­ти­ке и авто­мо­би­ле­стро­е­нии. По доро­гам коле­сит уже боль­ше 3 млн элек­тро­ка­ров. Тренд на рост доволь­но оче­ви­ден. Напри­мер, кон­церн Ford недав­но заявил о пла­нах элек­три­фи­ци­ро­вать всю свою про­дук­цию к 2030 году, хотя, оче­вид­но, это всё-таки не более чем реклам­ный ход.

Как приготовить и продегустировать электрохимический сэндвич?

Я здо­ро­ва­юсь по-англий­ски с пост­до­ком из Индии и по-немец­ки с аспи­ран­том из Гер­ма­нии, и мы пере­хо­дим в сосед­нюю ком­на­ту.

Мак­сим делит­ся рецеп­том изго­тов­ле­ния элек­тро­хи­ми­че­ско­го сэнд­ви­ча, точ­нее гово­ря, маке­та акку­му­ля­то­ра, так назы­ва­е­мой лами­ни­ро­ван­ной ячей­ки (pouch-cell). Нуж­но поло­жить про­пи­тан­ный элек­тро­ли­том длин­ный сепа­ра­тор на нане­сён­ный на длин­ную фоль­гу катод­ный мате­ри­ал и накрыть свер­ху нане­сён­ным на фоль­гу анод­ным мате­ри­а­лом, свер­нуть мно­го раз, поло­жить в пла­сти­ко­вый пакет с выве­ден­ны­ми нару­жу токо­съём­ни­ка­ми, отка­чать и запа­ять. Полу­чит­ся при­мер­но такой же акку­му­ля­тор, как в нашем смарт­фоне, но экс­пе­ри­мен­таль­ный.

Даль­ше Мак­сим откры­ва­ет шкаф с раз­но­цвет­ны­ми пузырь­ка­ми и баноч­ка­ми.

— Мы заку­па­ем реак­ти­вы по все­му миру. Види­те бан­ки с крас­ны­ми крыш­ка­ми? Их про­из­во­дит Sigma-Aldrich, огром­ная кор­по­ра­ция. Штаб-квар­ти­ра рас­по­ло­же­на в Мис­су­ри. После зака­за реа­ген­ты идут до нас не мень­ше меся­ца. Дру­гой постав­щик — Рус­хим. Оте­че­ствен­ные веще­ства дешев­ле, и, есте­ствен­но, мы полу­ча­ем их быст­рее.

Поро­шок пере­ма­лы­ва­ют на «мель­ни­це», что­бы умень­шить раз­мер частиц до сотен нано­мет­ров. «Мель­ни­ца» тря­сёт, кру­тит и вер­тит емкость с порош­ком и мини­а­тюр­ны­ми шари­ка­ми из ста­ли или твер­до­го пла­сти­ка.

Измель­чен­ный поро­шок несут в печ­ную ком­на­ту. Когда мы вхо­дим туда, я пер­вым делом заме­чаю сло­ган «More than Heat». Здесь при высо­ких тем­пе­ра­ту­рах про­ис­хо­дит син­тез актив­но­го мате­ри­а­ла для акку­му­ля­то­ра. На пол­ках я вижу око­ло 20 при­бо­ров. Они похо­жи на мик­ро­вол­нов­ки, но не все дей­ству­ют по оди­на­ко­во­му прин­ци­пу. Печек мно­го, что­бы сотруд­ни­ки не выстра­и­ва­лись в оче­редь.

Печ­ная ком­на­та

— Вот печь с квар­це­вый тру­бой, через кото­рую про­пус­ка­ет­ся аргон, — пояс­ня­ет Мак­сим. — Здесь мик­ро­вол­но­вый гид­ро­тер­маль­ный реак­тор. Закры­тый объ­ём нагре­ва­ет­ся не посред­ством рас­ка­лён­ной спи­ра­ли, а с помо­щью  мик­ро­волн. Это поз­во­ля­ет умень­шить вре­мя син­те­за с десят­ков часов до десят­ков минут. В малень­кой кол­бе при нагре­ве более 100оС отка­чи­ва­ем воз­дух из элек­тро­дов и солей ваку­ум­ным насо­сом. Как я уже гово­рил, из состав­ля­ю­щих акку­му­ля­то­ра нуж­но убрать все части­цы воды и кис­ло­ро­да.

Даль­ше нуж­но изу­чить свой­ства син­те­зи­ро­ван­но­го соеди­не­ния. В сосед­ней ком­на­те сто­ят раз­но­об­раз­ные при­бо­ры. В оче­ред­ном шка­фу с про­зрач­ной стен­кой покру­чи­ва­ет­ся впе­рёд-назад дыр­ча­тое коле­со. В нем шесть отвер­стий для раз­ных образ­цов. Это дифрак­то­метр. Рент­ге­нов­ское излу­че­ние поз­во­ля­ет полу­чить дифрак­то­грам­му веще­ства и таким обра­зом выяс­нить его струк­ту­ру, хими­че­ский состав, раз­мер и фор­му частиц, поло­же­ние ато­мов отно­си­тель­но друг дру­га. По сосед­ству рас­по­ло­жен атом­но-сило­вой мик­ро­скоп. В каче­стве зон­да исполь­зу­ет­ся игла с остри­ем раз­ме­ром до несколь­ких ато­мов. А систе­ма тер­мо­гра­ви­мет­ри­че­ско­го ана­ли­за с масс-спек­тро­мет­ром поз­во­ля­ет выяс­нить, как изме­ня­ет­ся мас­са соеди­не­ния при нагре­ве.

Систе­ма тер­мо­гра­ви­мет­ри­че­ско­го ана­ли­за с масс-спек­тро­мет­ром

И, нако­нец, я вижу шка­фы, из кото­рых топор­щат­ся десят­ки «кро­ко­диль­чи­ков»: это потен­ци­о­ста­ты-галь­ва­но­ста­ты. Здесь экс­пе­ри­мен­та­то­ры про­ве­ря­ют, как быст­ро заря­жа­ет­ся или раз­ря­жа­ет­ся тот или иной элек­трод­ный мате­ри­ал.

Потен­ци­о­ста­ты-галь­ва­но­ста­ты

Это инте­рес­но: На поч­ве раз­ви­тия рын­ка акку­му­ля­то­ров цены на литий скач­ко­об­раз­но пошли вверх: тон­на кар­бо­на­та лития Li2CO3 подо­ро­жа­ла с $6,5 тыс. в 2015 году до $20–25 тыс. в 2016 году и сей­час ста­би­ли­зи­ро­ва­лась на уровне $15–20 тыс. В то же вре­мя лития на пла­не­те не так мно­го (по оцен­кам Deutsche Bank, до 100 млн тонн). Когда он будет исчер­пан? На этот счет суще­ству­ют раз­ные оцен­ки, от пани­че­ских до весь­ма опти­ми­стич­ных, но ясно одно — литию нуж­но искать аль­тер­на­ти­вы.

Частица Чили в вашем смартфоне

Мак­сим рас­ска­зы­ва­ет: в основ­ном место­рож­де­ния лития нахо­дят­ся в Южной Аме­ри­ке. Боль­ше все­го лития в Боли­вии, но круп­ней­шие объ­е­мы добы­чи — в Чили (око­ло 50%) и Арген­тине (око­ло 25%). Кри­стал­лы на бере­гу соля­ных озер содер­жат боль­шое коли­че­ство хло­ри­да натрия, того само­го, кото­рым напол­не­ны наши солон­ки, но есть там и малая доля кар­бо­на­та лития; его извле­ка­ют с помо­щью опре­де­лен­ных мето­дов очист­ки, паку­ют в кон­тей­не­ры и на кораб­лях и само­ле­тах транс­пор­ти­ру­ют в Азию, где на заво­дах  его сме­ши­ва­ют с соля­ми пере­ход­ных метал­лов и при повы­шен­ной тем­пе­ра­ту­ре син­те­зи­ру­ют катод­ный мате­ри­ал для акку­му­ля­то­ров. Так что с боль­шой долей веро­ят­но­сти вы носи­те в кар­мане части­цу соли из Чили или Арген­ти­ны.

Соля­ное озе­ро Лагу­на-Вер­де (Чили). Фото Wikimedia Commons

Типология батареек

По сло­вам Мак­си­ма, пер­вые пере­за­ря­жа­е­мые акку­му­ля­то­ры были свин­цо­во-кис­лот­ны­ми. Имен­но ими вы поль­зу­е­тесь, когда пово­ра­чи­ва­е­те ключ зажи­га­ния в авто­мо­би­ле. В 1960-х в элек­тро­мо­би­лях Ford появи­лись натрий-сер­ные акку­му­ля­то­ры. Но они высо­ко­тем­пе­ра­тур­ные, разо­гре­ва­ют­ся до 300 оС. Для авто­мо­би­ли­стов это небез­опас­но. Сей­час натрий-сер­ные акку­му­ля­то­ры исполь­зу­ют в энер­го­се­тях в Япо­нии. Они при­вле­ка­тель­ны по цене и харак­те­ри­сти­кам.

Еще одна аль­тер­на­ти­ва натрию — вана­ди­е­вые про­точ­ные бата­реи. Их ста­ли раз­ра­ба­ты­вать в 1980-е в Уни­вер­си­те­те Южно­го Уэль­са в Сид­нее, тогда как раз обна­ру­жи­ли зале­жи вана­дия в Австра­лии и нашли новые спо­со­бы  его полу­че­ния в Япо­нии. Этой тех­но­ло­ги­ей так­же зани­ма­ют­ся в Скол­те­хе.

В мире акку­му­ля­то­ров всё меня­ет­ся доволь­но дина­мич­но. В «зеле­ной» энер­ге­ти­ке не обой­тись без боль­ших акку­му­ля­то­ров, пото­му что ветер пере­мен­чив, а солн­це не све­тит на фото­пла­сти­ны ночью и в пас­мур­ную пого­ду. Поэто­му энер­гию нуж­но запа­сать. Как ни уди­ви­тель­но, еще несколь­ко лет назад быто­ва­ло мне­ние, что литий-ион­ные акку­му­ля­то­ры слиш­ком доро­ги, что­бы исполь­зо­вать их в энер­го­се­тях. Одна­ко сей­час они успеш­но функ­ци­о­ни­ру­ют, пре­иму­ще­ствен­но в США и Австра­лии. Кро­ме того, после отме­ны атом­ных элек­тро­стан­ций боль­ше 20% энер­ге­ти­ки Гер­ма­нии обес­пе­чи­ва­ют ветер и солн­це, и госу­дар­ство охот­но суб­си­ди­ру­ет эту отрасль.

Круп­ней­шая в мире литий-ион­ная бата­рея была уста­нов­ле­на фир­мой Tesla в Южной Австра­лии в кон­це 2017 года. Она состо­ит из око­ло 500 бло­ков, име­ет ёмкость 100 мега­ватт-часов и запи­ты­ва­ет­ся от вет­ря­ной элек­тро­стан­ции. Осо­бый бот рас­счи­ты­ва­ет, когда выгод­нее заря­жать и раз­ря­жать гигант­ский акку­му­ля­тор, что­бы про­да­вать энер­гию доро­же.

Круп­ней­шая в мире литий-ион­ная бата­рея (Австра­лия). Фото David Clarke

Это инте­рес­но: Натрий – один из наи­бо­лее пер­спек­тив­ных метал­лов для созда­ния акку­му­ля­то­ров. В нед­рах пла­не­ты натрия на три поряд­ка боль­ше, чем лития, так что он суще­ствен­но дешев­ле (на два поряд­ка). Одна­ко натрий тяже­лее лития, а объ­ем запа­са­е­мой в натрий-ион­ных акку­му­ля­то­рах энер­гии на дан­ный момент в два раза мень­ше, чем в литий-ион­ных. Поэто­му уже более пяти лет уче­ные актив­но ищут пре­дел воз­мож­но­стей натрий-ион­ных акку­му­ля­то­ров и спо­со­бы их усо­вер­шен­ство­ва­ния.

Поговорим о теории аккумуляторов

В кафе крас­но­го кор­пу­са под зву­ки кофе­мол­ки (к сча­стью, она ещё не измель­ча­ет зер­на в нано­пыль) мы бесе­ду­ем с пост­до­ком Дмит­ри­ем Аксё­но­вым. Он отве­ча­ет за ком­пью­тер­ное моде­ли­ро­ва­ние, вир­ту­аль­ный экс­пе­ри­мент. Дмит­рий гово­рит, что с дет­ства испы­ты­вал любо­пыт­ство ко все­му ново­му и неиз­вест­но­му. Его дед был учи­те­лем физи­ки, бабуш­ка — учи­те­лем мате­ма­ти­ки, отец окон­чил Физ­тех и рабо­та­ет инже­не­ром-элек­трон­щи­ком, зани­ма­ет­ся гео­фи­зи­кой. Дмит­рий учил­ся и защи­тил дис­сер­та­цию в Бел­го­род­ском госу­дар­ствен­ном уни­вер­си­те­те. Там он зани­мал­ся тита­но­вы­ми спла­ва­ми для зуб­ных имплан­та­тов в вузов­ском Цен­тре нано­струк­тур­ных мате­ри­а­лов и нано­тех­но­ло­гий.

Дмит­рий Аксё­нов демон­стри­ру­ет натрий-ион­ную элек­тро­хи­ми­че­скую ячей­ку после экс­пе­ри­мен­тов при повы­шен­ных тем­пе­ра­ту­рах.

— С точ­ки зре­ния био­сов­ме­сти­мо­сти чистый титан – иде­аль­ный мате­ри­ал, — гово­рит Дмит­рий. — Но он недо­ста­точ­но про­чен. Если нано­струк­ту­ри­ро­вать титан, мож­но под­нять проч­ность. Есть закон Хол­ла – Пет­ча, кото­рый ука­зы­ва­ет, что проч­ность метал­лов уве­ли­чи­ва­ет­ся с умень­ше­ни­ем раз­ме­ров кри­стал­ли­че­ских зерен. Но тогда мы начи­на­ем про­иг­ры­вать в тер­мо­ди­на­ми­че­ской ста­биль­но­сти. В тече­нии дли­тель­но­го вре­ме­ни имплан­тат может поте­рять проч­ность даже при тем­пе­ра­ту­ре чело­ве­че­ско­го тела. Мы при­шли к тому, что нуж­но леги­ро­вать мате­ри­ал, добав­лять эле­мен­ты, уве­ли­чи­ва­ю­щие ста­биль­ность струк­ту­ры. Леги­ро­ва­ние широ­ко исполь­зу­ет­ся  в мате­ри­а­ло­ве­де­нии: неболь­шая кон­цен­тра­ция эле­мен­та силь­но меня­ет свой­ства веще­ства. Луч­ший при­мер – вся мик­ро­элек­тро­ни­ка. Крем­ний очень пло­хо про­во­дит элек­три­че­ский ток. Но при добав­ле­нии неболь­шо­го коли­че­ства фос­фо­ра или бора мы можем создать либо элек­трон­ную, либо дыроч­ную про­во­ди­мость. Это поз­во­ля­ет созда­вать дио­ды,  тран­зи­сто­ры, и в конеч­ном сче­те инте­граль­ные мик­ро­схе­мы, вклю­чая мик­ро­про­цес­со­ры наших смарт­фо­нов.

— Как Вы реши­ли рабо­тать в Скол­те­хе?

— На самом деле меди­ци­на мне осо­бо не близ­ка. Мне нра­вит­ся элек­тро­ни­ка. Я решил сме­нить тему. Есть вполне кон­крет­ная про­бле­ма: теле­фо­ны и элек­тро­мо­би­ли быст­ро раз­ря­жа­ют­ся. Как это испра­вить? Я поду­мал: раз я уже защи­тил кан­ди­дат­скую, и стал сво­бод­ным чело­ве­ком, то волен зани­мать­ся тем, чем хочу. Как раз здесь в Скол­те­хе была откры­та пози­ция пост­до­ка по изу­че­нию катод­ных мате­ри­а­лов  литий-ион­ных и натрий-ион­ных акку­му­ля­то­ров. Мне посо­ве­то­ва­ли груп­пу про­фес­со­ра Андрея Жуга­е­ви­ча, кура­то­ра маги­стер­ской про­грам­мы «Мате­ри­а­ло­ве­де­ние» в Скол­те­хе. Я сме­нил объ­ект иссле­до­ва­ния, но не мето­ды. Исполь­зу­е­мый мной кван­то­во-меха­ни­че­ский метод, опи­сы­ва­ю­щий веще­ство на уровне атом­ных ядер и элек­тро­нов, поз­во­ля­ет загля­нуть «внутрь» катод­ных мате­ри­а­лов, понять что в них про­ис­хо­дит, и пред­ло­жить луч­шие вари­ан­ты.

— Ваша рабо­та — про­мыш­лен­ный заказ или чисто тео­ре­ти­че­ский инте­рес?

— Поми­мо сов­мест­ной рабо­ты с кол­ле­га­ми из Цен­тра элек­тро­хи­мии Скол­те­ха по несколь­ким про­ек­там, я выиг­рал грант РФФИ. Это мой соб­ствен­ный ини­ци­а­тив­ный про­ект. В первую оче­редь рабо­та фун­да­мен­таль­ная. Тут какой про­стор есть? Есть катод­ный мате­ри­ал, а к нему мож­но под­би­рать леги­ру­ю­щие эле­мен­ты. Есть все осно­ва­ния пред­по­ла­гать, что даже в неболь­шой кон­цен­тра­ции, они будут суще­ствен­но улуч­шать его харак­те­ри­сти­ки.

— Како­вы пер­спек­ти­вы натрий-ион­ных акку­му­ля­то­ров?

— В буду­щем они могут потес­нить литий-ион­ные акку­му­ля­то­ры или занять свою, новую нишу, но на сего­дняш­ний день натрий-ион­ные акку­му­ля­то­ры эко­но­ми­че­ски осо­бо не выгод­ны. Основ­ных пре­иму­ществ два. Во-пер­вых, сам натрий, как вы уже зна­е­те, гораз­до дешев­ле, чем литий. Во-вто­рых, на ано­де лити­е­во­го акку­му­ля­то­ра исполь­зу­ет­ся мед­ный токо­съём­ник, а для натри­е­во­го акку­му­ля­то­ра мож­но исполь­зо­вать алю­ми­ний. Это тоже сни­жа­ет цену.

Но есть и суще­ствен­ные мину­сы. Во-пер­вых, натрий тяже­лее лития. Он нахо­дит­ся ниже по таб­ли­це Мен­де­ле­е­ва. Во-вто­рых, напря­же­ние в натри­е­вых акку­му­ля­то­рах тоже ниже: ска­жем, 3,3 воль­та вме­сто 3,6 воль­та для лития. В ито­ге запа­са­е­мая энер­гия натри­е­вых акку­му­ля­то­ров на 30–50% мень­ше. Если посчи­тать сто­и­мость еди­ни­цы запа­са­е­мой энер­гии, то для натри­е­вых акку­му­ля­то­ров она ока­жет­ся такой же, как для лити­е­вых, либо даже немно­го выше. Нет смыс­ла пере­на­стра­и­вать суще­ству­ю­щие про­из­вод­ства под натрий, если никто не выиг­ры­ва­ет. Поэто­му нам нуж­но улуч­шить харак­те­ри­сти­ки натри­е­вых акку­му­ля­то­ров, в первую оче­редь уве­ли­чить запа­са­е­мую энер­гию.

— А каким обра­зом?

— Есть ряд мате­ри­а­лов, поз­во­ля­ю­щих достичь более высо­ких катод­ных напря­же­ний: 4–4,5 воль­та.

— Что это за мате­ри­а­лы?

— Пер­вый мате­ри­ал, кото­рый был ком­мер­ци­а­ли­зи­ро­ван в лити­е­вых акку­му­ля­то­рах – оксид кобаль­та LiCoO2. Потом был пред­ло­жен желе­зо­фос­фат лития LiFePO4. Он уже исполь­зу­ет­ся в акку­му­ля­то­рах, у них есть свои пре­иму­ще­ства и недо­стат­ки. Ста­ли искать дру­гие мате­ри­а­лы в этом направ­ле­нии. Напри­мер, рас­смат­ри­ва­ет­ся Li2FePO4F, фто­ри­до­фос­фат желе­за-лития. На один атом желе­за два ато­ма лития. Тео­ре­ти­че­ская емкость боль­ше.

С натри­ем всё по ана­ло­гии. Мож­но исполь­зо­вать окси­ды: NaCoO2, NaNiO2. Обя­за­тель­но дол­жен быть пере­ход­ный металл. Точ­но так же про­бу­ют фто­ри­до­фос­фа­ты, напри­мер Na2FePO4F, Na2CoPO4F, где вме­сто кис­ло­ро­да исполь­зу­ет­ся поли­а­ни­он­ная груп­па PO4F. Мож­но исполь­зо­вать дру­гие поли­а­ни­он­ные груп­пы, такие как сили­ка­ты на осно­ве SiO4 или бора­ты BO3. Очень мно­го вари­ан­тов. Напри­мер, FeSO4F или CoSO4F – струк­ту­ры, кото­рые будут давать очень высо­кий потен­ци­ал, и по запа­са­е­мой энер­гии могут кон­ку­ри­ро­вать с лити­е­вы­ми ана­ло­га­ми. Но про­бле­ма в том, что элек­тро­лит не выдер­жи­ва­ет эти высо­кие потен­ци­а­лы, начи­на­ет раз­ла­гать­ся, ста­но­вит­ся неста­би­лен.

— Как решить эту про­бле­му?

— Рань­ше основ­ные уси­лия уче­ных были направ­ле­ны на то, что­бы создать новые хоро­шие мате­ри­а­лы для ано­да и для като­да. В осо­бен­но­сти мно­го зани­ма­лись като­дом. Но поми­мо мате­ри­а­лов как тако­вых, есть такая важ­ная вещь, как интер­фейс – гра­ни­ца раз­де­ла меж­ду анодом/​катодом и элек­тро­ли­том. Очень важ­но, какие про­цес­сы там про­ис­хо­дят. Как это ни стран­но, это в гораз­до мень­шей сте­пе­ни извест­но.

Раз­ло­же­ние элек­тро­ли­та на поверх­но­сти — одна из глав­ных при­чин, по кото­рым акку­му­ля­тор выхо­дит из строя. Обра­зу­ют­ся вред­ные фазы, кото­рые впо­след­ствии меша­ют рабо­те акку­му­ля­то­ра. Ионы про­сто не про­хо­дят сквозь кри­стал­ли­че­скую решет­ку. Есть извест­ное для мате­ри­а­лов физи­че­ское явле­ние: сегре­га­ция (накоп­ле­ние) эле­мен­тов на гра­ни­цах раз­де­ла. Леги­ру­ю­щие эле­мен­ты часто име­ют тен­ден­цию скап­ли­вать­ся на этих дефек­тах. Мы будем изу­чать вли­я­ние сегре­га­ции леги­ру­ю­щих эле­мен­тов на про­цесс раз­ло­же­ния элек­тро­ли­та на гра­ни­це раз­де­ла меж­ду като­дом и элек­тро­ли­том.

В первую оче­редь перед нами сто­ит зада­ча про­ве­сти ком­пью­тер­ное моде­ли­ро­ва­ние, что­бы иден­ти­фи­ци­ро­вать те эле­мен­ты, кото­рые будут накап­ли­вать­ся на поверх­но­сти раз­де­ла меж­ду като­дом и элек­тро­ли­том и при­во­дить к ста­би­ли­за­ции этой поверх­но­сти, то есть умень­шать ее хими­че­скую актив­ность и таким обра­зом пре­пят­ство­вать раз­ло­же­нию элек­тро­ли­та на этой поверх­но­сти. Здесь сей­час наш инте­рес.

P. S. Гром и мол­нии, ско­рее отправ­ляю этот мате­ри­ал на согла­со­ва­ние, а то на нет­бу­ке бата­рея исся­ка­ет! Хотя мно­гое еще не ска­за­но… А пока жив мой пле­ер, вклю­чу для раз­ряд­ки «Нир­ва­ну». Пес­ню Lithium.

Магистерская программа Сколтеха «Материаловедение»

Двух­го­дич­ный обра­зо­ва­тель­ный курс, направ­лен­ный на осво­е­ние сту­ден­та­ми зна­ний и уме­ний в обла­сти раз­ра­бот­ки новых мате­ри­а­лов и устройств, акту­аль­ных для рос­сий­ской и миро­вой инду­стрии. Учеб­ная про­грам­ма вклю­ча­ет в себя как базо­вые раз­де­лы совре­мен­ной нау­ки о мате­ри­а­лах, так и про­дви­ну­тые кур­сы, поз­во­ля­ю­щие сту­ден­там уже в про­цес­се обу­че­ния под­клю­чить­ся к инно­ва­ци­он­ным иссле­до­ва­ни­ям и раз­ра­бот­кам мате­ри­а­лов для опто­элек­тро­ни­ки и устройств хра­не­ния и пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии. Выпуск­ни­ки про­грам­мы вос­тре­бо­ва­ны в науч­но-иссле­до­ва­тель­ских цен­трах, в отде­лах раз­ра­бот­ки ком­па­ний, рабо­та­ю­щих в сек­то­рах элек­тро­ни­ки, энер­ге­ти­ки, хими­че­ской инду­стрии, авто­про­мыш­лен­но­сти и дру­гих сек­то­рах, име­ю­щих дело с раз­ра­бот­кой, внед­ре­ни­ем или экс­плу­а­та­ци­ей про­дви­ну­тых или слож­ных мате­ри­а­лов.

Кит Сти­вен­сон

Ком­мен­ти­ру­ет Кит Сти­вен­сон (Keith Stevenson), про­рек­тор Скол­те­ха по иссле­до­ва­ни­ям, дирек­тор Цен­тра элек­тро­хи­ми­че­ско­го хра­не­ния энер­гии и Цен­тра энер­ге­ти­че­ских систем:

— Наша маги­стер­ская и док­тор­ская про­грам­ма по мате­ри­а­ло­ве­де­нию дает обя­за­тель­ные и факуль­та­тив­ные кур­сы, кото­рые ведут сотруд­ни­ки трех Цен­тров Скол­те­ха (CREI) — Цен­тра по элек­тро­хи­ми­че­ско­му хра­не­нию энер­гии, Цен­тра фото­ни­ки и кван­то­вых мате­ри­а­лов и Цен­тра про­ек­ти­ро­ва­ния, про­из­вод­ствен­ных мето­дов и мате­ри­а­лов. Поми­мо спе­ци­а­ли­за­ции про­грам­ма вклю­ча­ет экс­пе­ри­мен­таль­ные и вычис­ли­тель­ные факуль­та­ти­вы, уни­каль­ные для рос­сий­ских уни­вер­си­те­тов, и даже для миро­вой прак­ти­ки. В чис­ле дру­гих ком­по­нен­тов про­грам­мы — иммер­сив­ная про­из­вод­ствен­ная прак­ти­ка и ком­по­нен­ты, свя­зан­ные с пред­при­ни­ма­тель­ством и инно­ва­ци­я­ми.

Боль­ше о поступ­ле­нии: msc.skoltech.ru/materialovedenie

Алек­сей Огнёв
Фото Вита­лия Шуст­и­ко­ва

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи