НА ПУТИ К SOLVENT-FREE

— Материалами для химических источников тока, в частности, литиевых, наша группа занимается уже почти 25 лет. Напомню, что литий-ионный аккумулятор (Li-Ion) на сегодня — один из самых энергоемких источников тока. Такие аккумуляторы можно встретить везде: в ноутбуках, телефонах и другой электронике. И всем бы хотелось, чтобы такие батареи стояли и в автомобилях.

— В этом направлении движется весь мир, но пока у электромобилей с литий-ионными аккумуляторами не тот уровень безопасности, несмотря на все усилия по раскрутке этого средства передвижения. Один зарубежный коллега проанализировал произошедшие за последнее время инциденты, связанные с возгоранием литий-ионных аккумуляторов, и опубликовал результаты в журнале Ionics. Статистика ставит большой вопрос: можно ли использовать такого типа батареи в качестве сильнотоковых источников питания, например, в системах хранения энергии или электромобилях? Есть скептики, которые считают, что при сегодняшнем уровне технологий их лучше не использовать, потому что это небезопасно.

Другой немаловажный момент — стоимость. Огромный аккумулятор для электромобиля будет стоить на порядки дороже по сравнению с компактной батареей телефона или ноутбука. А если вещь такая дорогая, то хотелось бы, чтобы она прослужила как можно дольше — минимум лет пятнадцать. Пока таким долголетием литий-ионные аккумуляторы похвастаться не могут.

Между тем слаботоковые аккумуляторы, используемые в электронных гаджетах, прекрасно себя зарекомендовали. Они достаточно безопасны, технологии и материалы здесь отработаны. Единственное — всем хотелось бы, чтобы заряда в смартфоне хватало не на сутки, а на неделю. Для этого надо создавать новые материалы, в первую очередь для положительного электрода. Над этим работают многие, в том числе наша группа и коллеги из ИХТТ УрО РАН, в котором мы сейчас трудимся. В частности, этим занимается заведующий лабораторией химии соединений редкоземельных элементов кандидат химических наук Виктор Журавлев. Мы ведем с ним общую работу по синтезу такого рода материалов и исследованию их поведения в модельных электрохимических ячейках.

В целом предмет наших научных разработок — новые электродные и электролитические материалы, а также вспомогательные материалы, которые используются для аккумуляторов, например, сепараторы. Всем этим мы занимаемся совместно с коллегами из УрО РАН, Черноголовки и Москвы, с производственниками, которые обращаются со своими проблемами.

— На первых порах нашей тематикой были полимерные электролиты, а уже потом круг исследований разросся в разные стороны. Из школьного курса химии все помнят: если соль растворить в воде, такой раствор будет проводить электрический ток. Это и есть электролит. Если соль литиевая, то проводимость обеспечивается ионами лития, и такой раствор можно использовать в литиевых источниках тока. Однако с водными растворами литиевые источники работать не могут, потому что металлический литий химически высокоактивен и с водой взаимодействует слишком бурно. Поэтому в литиевых источниках тока используются так называемые невод-ные электролиты, главным образом на основе органических растворителей.

Плодотворная идея заключалась в том, чтобы вместо органического растворителя использовать полимер. Но здесь все зависит от его структуры. Если полимер содержит в себе такие же функциональные группы, как жидкий растворитель, то он тоже может быть растворителем для соли и служить электролитом.

Полимерный электролит в отличие от жидкого органического безопасен: у него нет проблем с горючестью и взрывоопасностью, он не выделяет газ при перегреве, не вступает в бурные химические реакции с активными веществами аккумулятора. Многие полимеры сами не горят — только во внешнем источнике пламени. Если поместить такой полимер в костер, он загорится, а если убрать из огня, гореть уже не будет.

Подобными материалами мы занимались изначально и продолжаем заниматься сегодня. Они считаются перспективными, но совладать с ними пока не смог никто. Создать так называемый solvent-free — полимерный электролит, полностью свободный от низкомолекулярной органики, и коммерциализовать его пока, похоже, не удалось, хотя существенные детали многих обнародованных разработок засекречены (коммерческая тайна). Неясно, остается ли в новейших литий-полимерных аккумуляторах органика или там уже полимер и литиевая соль в чистом виде. Но скорее всего, такого уровня материалов еще нет. В рабочих вариантах существуют только полимерные электролиты, работающие исключительно при повышенных температурах (выше 60°C), что сужает возможности их применения.

— «ИнЭнерджи» из числа тех предприятий, которые занимаются выпуском наукоемкой продукции и постоянно ищут новые области приложения сил. В Москве они наладили производство топливных элементов с полимерным электролитом. Там пока что используется импортная протонпроводящая полимерная мембрана. Но сейчас они запускают в Петербурге собственное производство такой мембраны. Компания выпускает топливные элементы в том числе для беспилотных летательных аппаратов, дронов и квадрокоптеров. Если будут заказы под другую технику, то они легко меняют форм-фактор топливных элементов и смогут выпускать продукцию для других нужд.

Разновидностей химических источников тока много, и в последнее время интерес сдвигается в сторону комбинированных систем. Например, топливный элемент может работать непрерывно, а электричество нам иногда требуется, а иногда нет. Разумное решение — присоединить к топливному элементу аккумулятор, который, когда в энергии нет потребности, накапливал бы в себе ее запасы для последующего извлечения и перераспределения. Такие интегрированные системы из нескольких типов источников питания сейчас крайне востребованы, потому что позволяют более разумно и экономично использовать электропитание. Соответственно растет интерес не только к топливным элементам с протонпроводящей мембраной, но и к более эффективным системам на твердооксидных топливных элементах. Такие системы выпускает и «ИнЭнерджи», но им, к сожалению, пока не удалось полностью локализовать их производство.

— Нам, ученым, хотелось бы поучаствовать в создании отечественных литий-ионных аккумуляторов нового поколения. Причем не воспроизводить уже имеющиеся решения, а предложить в своих разработках более продвинутые электрохимические системы. Довести какую-то научную идею до производства, хотя бы опытного. И в принципе, если продукт лучше импортных аналогов и имеет приемлемую цену, с выводом его в производство проблем быть не должно. Именно на этой почве наши интересы с компанией «ИнЭнерджи» совпали. Тем более что мы имеем богатый опыт разработки электродных и электролитических материалов. В течение десяти лет мы сотрудничали с корейской компанией «Самсунг ЭсДиАй» (Samsung SDI) по совершенствованию литий-ионных аккумуляторов. И «ИнЭнерджи» прямо заинтересована в наших компетенциях. А найти друг друга было несложно. Людей, которые занимаются нашей проблематикой, настолько мало, что все мы друг друга знаем. Главное — найти общий интерес.

— Мы — штатные сотрудники компании. Она также обеспечивает оборудование для лаборатории. Между ИХТТ УрО РАН и компанией есть соглашение о сотрудничестве: институт предоставляет площади под лабораторию и участвует в совместной работе, а компания ее финансирует.

— В компании понимают, что мы должны поддерживать свой научный уровень. Если сосредоточится только на прикладных работах, то наш задел очень быстро исчерпается, а надо же еще думать о завтрашнем дне. Но, конечно, все исследования в первую очередь нацелены на использование в изделиях, сугубо теоретических работ мы не ведем. Я бы сказала, что наши исследования либо фундаментально-ориентированные, либо прикладные. Что касается последних, то здесь перед нами стоит задача, чтобы требуемый материал был не просто новым, но и технологичным, чтобы его можно было легко запустить в серию. Нам неинтересно работать над экзотикой, выпуск которой нельзя масштабировать. В любом случае ориентация — на продукт, приемлемый для массового производства.