Импланты-аккумуляторы на глюкозе, энергокристаллы для световых мечей, гравитационные хранилища и даже живые тела — фантасты всегда были щедры на идеи, когда дело касалось энерготехнологий. Реальность же такова, что курс человечества в будущее диктуют металл-ионные аккумуляторы. Будь то смартфон с одной аккумуляторной ячейкой или Tesla Cybertruck с ~1350 ячейками формфактора 4680, все они — на ионах лития. И дроиды, которые соберут первый cупераккумулятор, способный на десятилетия работы без подзарядки, тоже, скорее всего, будут полагаться на металл-ионные технологии.

Поиск новых катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов — одно из самых бурнокипящих направлений мировой науки. В 2024 году двое российских ученых-химиков, Евгений Антипов и Артем Абакумов, взяли в нем Национальную премию в области будущих технологий «Вызов», номинация — «Прорыв». 

Самое важное о том, что конкретно разработали Антипов и Абакумов и почему их аккумуляторы способны радикально изменить технологический ландшафт России, собрали в этом тексте. 

База (и немного истории)

Металл-ионный аккумулятор — это, упрощенно говоря, электрохимическая система обмена ионами (атомами щелочного металла (лития, натрия, калия), утратившими электрон) между катодом и анодом через электролит. При этом высвободившиеся электроны текут по внешней цепи от анода к катоду (аккумулятор заряжается) либо к катода к андоу (идет разрядка). В описанном процессе катодный и анодный материал — что-то вроде складских стеллажей в виде кристаллических решеток, обеспечивающих оптимальные условия встраивания и отдачи ионов щелочного металла. 

Первый стабильный катодный материал из литий-кобальт-оксида (LiCoO₂), позволяющий создать литий-ионный аккумулятор с высокой удельной энергией, разработал американский физик Джон Гуденаф (John B. Goodenough) в 1980 году (за свои работы он получил Нобелевку). А в 1991-м Sony и японская химическая корпорация Asahi Kasei запустили литий-ионные аккумуляторы в массовое производство.

Проблема катода

Почему всех волнует именно катодный материал? Если речь о литии — потому, что для анодов в 95% случаев используется графит: он недорог, надежен и обеспечивает достаточно высокую электрохимическую емкость. Что касается катодного материала — здесь есть пространство для маневра. Именно от природы катода зависят самые важные параметры аккумуляторов: энергоемкость и срок службы. И именно эти параметры ученые всячески подкручивают и патентуют результаты.

Литию — литиево

Существуют ли альтернативы литию? Это — второе перспективное направление мировых научных изысканий. Литий используют из-за небольшого размера атомов, их легкости и хорошей кинетики — это дает высокую выходную энергию, отличную скорость зарядки и долговечность. Но есть и опции.

Например — натрий, которого в земной коре больше, чем лития (2,6% против 0,02%). У него более крупные атомы, он дешевле, доступнее, и натрий-ионные аккумуляторы обладают полезным свойством сохранять работоспособность аккумулятора на его основе даже после разрядки до 0 В. Если сильно разрядить литий-ионный аккумулятор, литий может необратимо среагировать с остальными компонентами аккумулятора. С натрием такого не происходит. 

Другой аспект — область применения. Аккумулятор, который стоит в смартфоне, бесполезен в устройстве с двигателями — им требуются мощности иного порядка. А аккумулятор низкоорбитального спутника должен иметь огромный ресурс по числу циклов заряда-разряда, но при этом заряжаться и разряжаться не на 100%, — это тоже специфическая разработка. 

Литий больше подходит для систем, которым важна энергоемкость, например электромобилей. Тогда как натрий годится для больших хранилищ, где важнее долговечность. 

Чего удалось достичь российским ученым

Евгению Антипову и Артему Абакумову удалось создать катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов с повышенной энергоемкостью. То есть используя ограниченный круг доступных соединений, получить больше энергии в заданном объеме. Этого можно добиться, плотнее «упаковывая» частицы материала — придавая структурам оптимальную для этого форму. Практический пример — смартфон, который держит зарядку неделю, или электромобиль, на котором можно проехать не 200–300, а 800 км.

Ученые изучали катоды на основе оксидов лития, никеля, марганца и кобальта — NMC622 (60% Ni, 20% Mn, 20% Co) и NMC811 (80% Ni, 10% Mn, 10% Co). Химики предложили оптимизацию кристаллической структуры, а также исследовали стадии разупорядочения материала при циклировании, выявив механизмы его деградации и пути их подавления. В результате удалось увеличить объемную плотность энергии до 2680 милливатт-час на кубический сантиметр (при среднем показателе в 1700). При этом потеря емкости после тысячи циклов заряда-разряда упала до 15%, что является очень хорошим показателем для катодов с высоким содержанием никеля.

Na

Как мы уже писали выше, натрий дешевле и на порядки доступнее лития. Это делает аккумуляторы на его основе перспективными для масштабного энергосбережения в зеленой энергетике — например, для хранения энергии от ветряков или солнечных панелей.

Рекорд сочетания высокой энергоемкости и безопасности был достигнут научными коллективами при работе над катодами NaVP₂O₇ и NaVPO₄ (ванадий-фосфатами натрия) — до 540 ватт-час на килограмм для NaVPO4F. Для сравнения: у типичных Na-катодов на основе слоистых оксидов этот показатель — 450 при их низкой термической стабильности в заряженном состоянии и, соответственно, низкой безопасности аккумуляторов.

Также были разработаны углеродное покрытие, улучшающее электрическую проводимость материала, и наноструктурирование (в том числе с нанотрубками), ускоряющее транспорт ионов и уменьшающее деградацию.

K: калий-ионные аккумуляторы 

Здесь Антипов и Абакумов показали перспективность использования калийсодержащих материалов, которые могут сильно менять свой объем при извлечении или внедрении ионов калия, что традиционно считалось негативным свойством. А также начали разработку путей синтеза катодов, устойчивых к крупным размерам ионов калия. 

Калий очень дешев и доступен в природе, а его потенциал в аккумуляторах теоретически позволяет достичь напряжений, сопоставимых с литий-ионными системами. Однако реальных стабильных катодов и анодов для калия пока мало — это новый фронтир.

Дальнейший маршрут

И, наконец, самое, наверное, важное — Евгений Антипов и Артем Абакумов смогли создать универсальную, воспроизводимую и масштабируемую технологию изготовления катодных материалов в России. И запустить первую опытную производственную линию на базе Сколтеха.

Это, пожалуй, едва ли не перекрывающее остальные моменты достижение — если смотреть на работу ученых через телескоп отдаленного технологического будущего. До недавнего времени Россия не была полноценным игроком рынка аккумуляторов и зависела от импорта, однако теперь ситуация, по поводу которой сокрушались, кажется, почти все, начала меняться. 

Позади две главных вехи. Первая — такая степень контроля процесса, при которой катодный материал всегда получается с одними и теми же характеристиками (это одна из сложнейших химических задач). Вторая — новую технологию можно применять к широкому диапазону химических составов, то есть выпустить сразу линейку материалов.

Сейчас идет работа над подготовкой специалистов для производства новых катодов. Помимо этого на ландшафте, созданном тандемом, в дальнейшем могут вести исследования другие российские ученые, — он определяется интеллектуальной собственностью на разработки, а она полностью российская. (Сколтех — лидер страны по количеству патентов на высокоемкие катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов.)

Если все пойдет по плану, к 2027 году в РФ будет работать уже сразу несколько линий производства литий-ионных аккумуляторов на российских патентах. 

Подробнее о героях этого текста

Евгений Антипов — доктор химических наук, завкафедрой электрохимии МГУ, профессор Сколтеха, академик РАН.

Артем Абакумов — кандидат химических наук, директор Центра энергетических технологий Сколковского института науки и технологий, заслуженный профессор Сколковского института науки и технологий.

Вместе они — эксперты мирового уровня по структуре и синтезу катодных материалов для литий- и натрий-ионных аккумуляторов и большие энтузиасты этой области. 

Научное сотрудничество началось в конце 1990-х годов, когда Абакумов, будучи аспирантом, присоединился к группе Антипова в МГУ. Изначально ученые занимались исследованием высокотемпературных сверхпроводников, а затем переключились на разработку катодных материалов для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов.​ Сегодня их методики исследования изменений материалов прямо во время работы батарей, а также другие наработки используют во всем мире.