Беседуем с руководителем научно-исследовательского и конструкторско-технологического центра электрохимической техники ГУД Виктором Кривченко: о разработке аккумуляторов для экстремального холода, будущем литий-ионных источников тока и особенностях научной и инженерной работы в центре.
– Ваше направление функционирует в университете уже не первый год. Можете описать, чего удалось достигнуть за это время?
– В 2015 году в составе Инжинирингового центра университета «Дубна» нами был организован лабораторный участок, на котором можно было производить электрохимические исследования новых материалов. Собственно, когда встал вопрос о том, на каких именно исследованиях мы будем делать акцент, было принято решение, что участок должен быть оснащен оборудованием, позволяющим проводить исследования по прототипированию химических источников тока. На тот момент это сильно отличало нашу лабораторию от классических академических лабораторий, где исследования материалов, как правило, производились в лабораторных ячейках. Другими словами, мы решили сделать акцент на разработке и изучении технологических шагов создания полноразмерных химических источников тока, в том числе с использованием новых материалов с уникальными характеристиками.
С тех пор мы значительно расширили инфраструктуру и превратились в опытное производство, которое укомплектовано самым современным оборудованием. Оно позволяет производить опытные партии первичных и вторичных химических источников тока.
Мы выполняем два госзадания по технологии создания литий-ионных аккумуляторов с улучшенными характеристиками, а также сотрудничаем с крупными отечественными компаниями и исследовательскими центрами.
– А что это за первичные и вторичные источники?
– Существует классификация: первичные источники тока – не перезаряжаемые. Простым языком это батарейки, которые мы все используем в игрушках, часах, пультах управления и т.д. Вторичные – это, например, литий-ионные или натрий-ионные аккумуляторы, которые для нас представляют особый интерес как наиболее перспективные перезаряжаемые системы.
Помимо литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов мы разрабатываем первичные литиевые элементы питания на основе фторированного углерода и оксида ванадия – у них есть ряд технических преимуществ. Ранее мы разработали и запатентовали технологию, а научные результаты опубликовали в международном высокорейтинговом издании. Сейчас работаем над тем, чтобы масштабировать технологию.
– В чем выражается преимущество ваших литиевых элементов питания?
– Коммерческие первичные литиевые источники тока, как правило обладают крайне высокой удельной энергией, но низкой мощностью. Это отличные элементы питания для длительной работы электронных устройств, не требующих высокого потребления тока. Однако если устройство является высокомощным, то применение первичных литиевых источников очень сильно затруднено. Это их недостаток.
Мы предложили и экспериментально продемонстрировали новый тип первичных литиевых источников на основе смеси фторированного углерода и оксида ванадия. Оказалось, что такая комбинация материалов обеспечивает рекордно высокую импульсную мощность, которая в 2–3 раза выше, чем у коммерческих аналогов. Для этого была изготовлена опытная партия элементов питания цилиндрического форм-фактора 18650. Кроме того, оказалось, что при определенной доработке состава электролита наши литиевые элементы питания могут отлично работать при температурах 120–140 градусов Цельсия. У таких источников есть определенная ниша, и к ним есть интерес со стороны гражданской индустрии. Сейчас мы сосредоточены на их опытном производстве, в дальнейшем хотелось бы запустить серию.
– Возвращаясь к литий-ионным аккумуляторам. Скажите, каким вы видите их будущее и что будет с их характеристиками?
– Смотрите, у любого химического источника тока основные параметры – это удельная энергия и удельная мощность. Если речь идет об аккумуляторах, то также важной характеристикой является циклический ресурс. Характеристики источников тока определяются прежде всего катодными и анодными материалами и электролитом, которые используются при их изготовлении. На сегодняшний день у наиболее передовых литий-ионных аккумуляторов удельная энергия – на уровне 260−280 Втч/кг. Несколько лет назад цифра 250 Втч/кг была неким пределом, но потом начали появляться новые материалы на основе смешанных оксидов, что дало возможность увеличить удельную энергию. Считается, что внедрение в структуру аккумулятора металлического лития вместо графита, а также переход на твердые электролиты позволит увеличить удельную энергию до 300–350 Втч/кг. В любом случае отказ от источников тока на основе литий-ионных систем произойдет еще не скоро, и они будут основными источниками энергии еще как минимум лет десять-пятнадцать. К тому же уход от литий-ионной технологии требует разработки и внедрения альтернативных пост-литий-ионных систем, например, таких как литий-серная или литий-воздушная системы. Однако уровень исследований и результатов в данной области не позволяет говорить о серийном производстве.
Есть еще один важный момент. Той удельной энергии, которой сейчас обладают современные литий-ионные аккумуляторы, достаточно для того, чтобы, к примеру, электромобиль проехал 400−600 км. Это немало! Проблема заключается в высокой стоимости литий-ионных аккумуляторов, что значительно ограничивает потребительский спрос на электротранспорт. Так что помимо увеличения энергетических характеристик уделяется большое внимание снижению себестоимости производства.
Если говорить о России, то отечественное производство литий-ионных аккумуляторов исторически формируется вокруг оборонно-промышленного комплекса, космической отрасли, ракетно-космической техники, то есть литий-ионные аккумуляторы и батареи на их основе имеют спецприменение. Однако в последние годы мы видим, что государство стремится сформировать индустрию химических источников тока гражданского применения. Мы чаще стали слышать о намерениях крупных отечественных компаний открыть гигафабрики по производству литий-ионных аккумуляторов. При этом, по всей видимости, основными драйверами индустрии, формирующими рынок сбыта отечественных литий-ионных аккумуляторов, будут являться электротранспорт и энергетические системы.
Пока же электротранспорт, эксплуатируемый в России, ездит на зарубежных, преимущественно китайских литий-ионных аккумуляторах. В лучшем случае у нас производится сборка батарей из таких аккумуляторов.
– И каким образом можно снизить стоимость?
– Одно из направлений – это оптимизация процесса изготовления таким образом, чтобы снизить себестоимость производства единицы кВтч. Это может быть автоматизация производства, либо внедрение новых технологических решений, повышающих скорость производства и снижающих энергозатраты. Ну и конечно же, необходимо развитие новых, более дешевых технологий получения катодных и анодных материалов, и локализация их производства.
– А где вы берете материалы для производства источников тока?
– Литий, катодные и анодные материалы, как правило, покупаем за рубежом, так как, к сожалению, в России пока их серийного производства нет. Однако сейчас ситуация стала меняться, и мы медленно, но верно реализуем технологический суверенитет в этом вопросе. Например, фторированный углерод прекрасного качества научились делать и в России – это АО «СХК». У «Росатома» также есть амбиции серийно выпускать как литиевую фольгу, так и катодные и анодные материалы. Есть ряд компаний не из числа госкорпораций, которые пытаются освоить опытное производство материалов и комплектующих.
Мы следим за новинками на рынке активных материалов с уникальными характеристиками, стараемся покупать их и внедрять в технологические процессы.
– Вы говорили о разработках низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов, насколько это актуально?
Россия является северной страной. Арктика – масштабный ресурс российского государства третьего тысячелетия, который она обязана использовать вдумчиво и рационально на пользу всего человечества. Это требует создания и внедрения новых уникальных технологий по различным направлениям. Одна из них связана с хранением электроэнергии в условиях холода. Это требует создания специальных аккумуляторов, которые эффективно работают при температурах существенно ниже нуля.
У университета «Дубна» в рамках госзадания есть задача, связанная с исследованием и разработкой технологии низкотемпературных аккумуляторов.
На данном этапе мы показали единичные прототипы источников тока низкотемпературного исполнения, которые могут циклироваться при температуре ниже минус 20°С. Основная наша задача − масштабировать технологию и подтвердить ее эффективность на опытной партии, скажем, в количестве 1000 штук. По нашим оценкам, на это может уйти пару лет. Такой срок может, с одной стороны, показаться большим, но на самом деле он обусловлен организацией технологического процесса и проведением промежуточных испытаний.
– Вы сказали, что расширяете инфраструктуру центра, расскажите подробнее.
– Мы начинали с лабораторного оборудования, которое предполагает ручной труд. Например, один из ключевых технологических шагов по созданию источника тока – изготовление электродов. Раньше для нанесения электродных паст мы использовали планарные портативные установки, которые размещались на лабораторных столах. Сейчас перешли на рулонную технологию, с нанесением электродных паст методом щелевой экструзии. Это является индустриальным стандартом при серийном производстве. А благодаря госзаданиям, а также целевой поддержке со стороны Минобрнауки и руководства наукограда мы имеем возможность покупать самое современное оборудование. Оно значительно автоматизирует процесс сборки источника тока и позволяет уйти от ручных итераций. Все это положительно сказывается на скорости и качестве изготовления, а также на воспроизводимости результатов.
Есть шкала уровней готовности технологий: от 1 до 9. Когда есть идея и проводятся начальные лабораторные исследования, скажем, на уровне пробирки – это 1, 9 – уже серийное производство.
Нашей основной целью является развитие инфраструктуры опытного производства таким образом, чтобы доводить технологические переделы до уровня готовности 6–7. То есть изготавливать опытные образцы источников тока в реальном масштабе на пилотной производственной линии и демонстрировать их характеристики в реальных условиях эксплуатации.
– Расскажите о сотрудниках центра.
– У нас достаточно молодой коллектив. Доля сотрудников до 35 лет составляет не менее 60%. Основной состав сформирован нашими выпускниками. Сейчас некоторые ребята учатся в аспирантуре в московских вузах, но при этом выполняют исследования у нас в центре.
Нужно сказать, что расширение круга исследовательских задач привело к тому, что мы начали испытывать кадровый голод. Поэтому мы проводим активную работу со студентами, надеясь, что в дальнейшем часть ребят станет нашими постоянными сотрудниками. Сейчас у нас делают свои курсовые четыре человека. Им создаются все необходимые условия для проведения научно-исследовательской работы и получения уникальных результатов. Фактически мы студентов сразу вовлекаем в реальную работу, и если видим, что человек старается, то помогаем с трудоустройством. К примеру, у нас есть сотрудница Татьяна Атлавинус, которая является студенткой кафедры нанотехнологий. Таня выиграла конкурс «Умник» в прошлом году, и ее исследования связаны с натрий-ионными аккумуляторами. Тема для нас новая, но уже были получены интересные результаты и подана заявка на патент.
– Какие планы по развитию центра?
– Все планы связаны с реализацией задач в рамках государственных заданий. Мы будем продолжать исследования, связанные с разработкой литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов.
В планах значительно расширить материально-техническую базу, связанную с производством первичных литиевых источников тока, а также электролитов с уникальными составами.
Мы видим потенциал коммерциализации части наших разработок, поэтому в ближайших планах открыть малое инновационное предприятие с долевым участием университета.
Текст: Юлия Цепилова
Фото: Юлия Цепилова, из архива центра