Российское производство литий-ионных батарей станет самым эффективным в мире

26.04.10 | Рубрика: Литиевые источники тока, Новости от производителей. Просмотры: 17 626

Уникальный проект стал возможен, благодаря нанотехнологии, которую изобрели в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН еще в прошлом веке. «Этот сюжет достоин быть вписанным в историю инноваций как пример того, что технический прогресс определяется не научными идеями и открытиями – а технологиями. Мало найти, обнаружить новое явление или эффект – надо еще это явление заставить работать, а эффект применить на практике».

Так Николай Ляхов, главный ученый секретарь Сибирского отделения РАН, член-корреспондент РАН, директор Института химии твердого тела и механохимии, говорит о разработке, которая легла в основу проекта первого в России производства современных литий-ионных аккумуляторов. Одного из двух новосибирских проектов, которые получили одобрение и поддержку РОСНАНО.

Чтобы понять, в чем действительно заключается ценность и уникальность технологии, предложенной сибирскими учеными, начать придется издалека.

Кобальтовые цепи

Начнем с того, что литий-ионные батареи сегодня – отнюдь не экзотика. На таких батарейках работают электронные часы, сотовые телефоны, плееры, переносные электробритвы, фотоаппараты, ноутбуки – вся эта ставшая привычной для нас техника, требующая автономных источников питания.

— Например, на рынке ноутбуков сегодня соревнование идет в двух направлениях, — поясняет Николай Ляхов. – Первое – повышение скорости самого процессора, второе – увеличение запаса времени автономной работы. И как прикажете эти два требования совмещать? Ведь чем мощнее процессор, тем больше энергии он потребляет и тем быстрее ее тратит. Значит, емкость источника питания тоже должна расти. И тут у литий-ионных батарей нет соперников: они – самые емкие.

Литий – элемент необычный. Самый легкий из металлов, он в обычных условиях вступает в реакцию с водой, горит на воздухе, выделяя при этом летучие и едкие щелочные оксиды. Работать с ним невозможно. И все же люди научились использовать литий – связав его с другим металлом в оксидном соединении. Этой цепью, которой ученые «приковали» непослушный элемент, стал кобальт.

Вы спросите, зачем столько трудов? Зачем нужен такой неудобный и сложный в обращении компонент? Да затем, что легкий литий обладает весьма любопытным свойством: его ионы в соединениях с другими металлами способны перемещаться внутри кристаллической структуры вещества. Получается электрический ток – но не электронный, со знаком «минус», как в обычных сетях, а ионный, со знаком «плюс».

Что это нам дает? Раз есть ионный ток, значит, можно сделать ионный накопитель. Причем если в обычном конденсаторе заряд собирается только на поверхности, то в ионном накопителе работает весь объем, а значит, емкость батареи увеличивается в разы.

И все было бы хорошо: литий-кобальтовые батарейки прекрасно ведут себя в часах, мобильниках и прочей мелкой аппаратуре, но когда дело доходит до устройств более масштабных, тут кобальт обнаруживает свои недостатки.

Во-первых, металл это довольно редкий и дорогой – по стоимости приближается к серебру. Для телефона это, может быть, не имеет большого значения, а вот, к примеру, в автомобиле сразу существенно отразится на цене. Есть и второе «но»: в аккумуляторах на основе литий-кобальтового оксида надо ограничивать ток заряда. Иначе они могут взорваться. И то, что в случае с сотовым телефоном окажется просто досадной неприятностью, в случае с ноутбуком уже может угрожать безопасности человека.

— Пытались кобальт заменить на никель, добавляли марганец, пробовали различные комбинации, — рассказывает Николай Ляхов. – Находили соединения, не уступающие по емкости литий-кобальтовым и при этом более безопасные. Но с каждым новым компонентом сложность получения, а значит и стоимость материала возрастали. Новые продукты просто не выдерживали конкуренции на рынке. В конце концов, исследователи впали в уныние и пришли к выводу, что эту проблему решить нельзя, что от литиевых источников придется отказаться. И вот тут… Вот тут у ученых появился новый оксид – литий-железо фосфат.

Энергия тонкого помола

Собственно говоря, соединять литий с железом уже пробовали. Но у получившегося вещества оказалась столь низкая электронная проводимость, что никому и в голову не пришло использовать его в аккумуляторах. Как выразился Николай Ляхов, «синтезировали, померили – и отодвинули».

Дело в том, что, какими бы замечательными свойствами ни обладал ионный накопитель, в цепи мы все равно можем использовать только электронный ток. Поэтому нам и нужен второй металл – как источник электронов. Железо не подошло – проводимость материала подкачала, и о нем благополучно «забыли».

До тех пор, пока ученые не догадались это соединение… помолоть. И выяснились удивительные вещи: если мы уменьшаем размер частиц и, соответственно, увеличиваем поверхность, то этот материал – литий-железо фосфат, который в одном «куске» имел очень низкую электропроводность, — в порошке становится отличнейшим проводником.

— Тут уже любой школьник поймет, — говорит директор ИХТТМХ, — чем больше поверхность катода, тем больше получается ток. Сегодня использование литий-железо фосфата позволяет достигать разрядной емкости 170 миллиампер в час на грамм катода. Для сравнения: соединение с кобальтом дает емкость на 30 процентов меньше.

Впечатляет? Еще бы! Но у батарей «с железом» есть еще одно весьма важное преимущество – они куда дольше могут держать рабочее напряжение.

— Литий-кобальтовые элементы разрядить до нуля практически не удается, — поясняет Николай Ляхов. – Они начинают снижать напряжение задолго до того, как кончится заряд, – и прибор уже не может дальше работать. При этом 30-40 процентов емкости, как правило, остаются неиспользованными. В идеале батарея должна отдавать всю свою емкость при постоянном напряжении. Таких идеальных устройств пока еще не придумано, но литий-железо фосфат уже отчасти приблизился к искомому совершенству.

Мельницы на грани фантастики

Однако все, о чем мы до сих пор говорили, — это пока что теория. Научные знания, идеи и открытия. Как воплотить их в жизнь, как приготовить катодную массу, чтобы при минимальных затратах получить максимально эффективный материал, в решении этой задачи как раз и преуспели сотрудники Института химии твердого тела – обойдя своих коллег из ведущих научных центров Востока и Запада.

— Именно здесь сегодня и идет соревнование, — говорит Николай Ляхов, – кто сделает более мелкий, более однородный и более активный порошок. Причем не просто порошок, а композит: чтобы материал получился более электропроводным, частицы литий-железо фосфата покрывают углеродом. Проще говоря – сажей.

Вот в этом и состоит ноу-хау сибирских ученых: им удалось создать уникальную технологию приготовления фосфатно-углеродной смеси – где каждая твердая нанокрупица покрыта равномерным слоем мягкого компонента.

Коллеги и конкуренты изобретали свои способы смешивания двух таких разных веществ: одни окунали оксид в углеродсодержащий раствор, другие пробовали пропитать порошок керосином, а потом нагреть. Все это оказались «тупиковые ветви развития». Наши ученые предложили совершено иной, куда более простой и действенный метод.

Конечно, у сибирских химиков был большой задел: сотрудники ИХТТМ уже имели опыт получения подобных механокомпозитов. Такой эффект «смешанного перемалывания» действует, когда приходится иметь дело с двумя субстанциями различной твердости.

— Эти вещества ведут себя по-разному, — продолжает Ляхов, — твердая превращается в микро- и нанокрупицы, мягкая растекается, распределяется по поверхности этих крупиц, увеличивая площадь их соприкосновения друг с другом. Получается своего рода «каша». Но для достижения такого эффекта нужны специальные условия, специальные устройства.

Специальные устройства – это мельницы-активаторы, разработанные в Институте химии твердого тела. Таких мельниц нет больше нигде в мире.

— Время от времени мы покупаем для сравнения импортные аналоги и всякий раз убеждаемся – наши лучше! Там, где на импортном оборудовании надо молоть часами, мы получаем результат за две-три, а то и за половину минуты.

Этот сюжет должен войти в историю – примером того, как открытия и научные идеи могут долгое время оставаться невостребованными и ненужными. До тех пор, пока не будет найдена технология, которая поможет претворить их в реальное производство и получить реальный продукт.

На эту уникальную, единственную в своем роде технологию сегодня с большим интересом заглядываются крупные зарубежные компании. Многие были бы не прочь купить и сибирское ноу-хау, и сибирское оборудование. Но продавать свою разработку наши ученые не торопятся, у них пока другие планы.

Литий, который изменит мир

Через четыре года с конвейера в Новосибирске сойдет первый тяговый литий-ионный аккумулятор, полностью изготовленный по сибирской технологии и из сибирских материалов. Буквально на днях госкорпорация РОСНАНО и китайская компания Thunder Sky подписали контракт. Проект, как теперь модно это называть, кластерный: предполагается, что сначала новое производство станет выпускать литий-ионные источники по старой китайской технологии, но постепенно – сперва катод, затем анод, а потом и электролит – будут заменяться отечественными разработками.

Заметьте – здесь собираются делать не просто батарейки, а мощные тяговые аккумуляторы для больших, 40-местных автобусов.

— Рынок – огромный, — говорит директор ИХТТМХ. – И в первую очередь, конечно, это сам Китай. Я был в технопарке в Чань-Чуне, там сейчас строится автобусный завод. Они выразили готовность покупать у нас 2,5 миллиона аккумуляторов в год! Такие объемы мы пока даже не закладываем. И второе: китайцы смотрят в будущее. Они не зря размещают свою линию в России. Они понимают, что наш рынок тоже очень перспективен, и заранее стараются приблизить производство к потребителю.

По оценкам специалистов, будущие российские аккумуляторы значительно мощнее нынешних китайских. Если к этому приплюсовать еще простоту процесса приготовления катодной массы, отсутствие выбросов и экологическую безопасность технологического процесса, то получается – новое производство будет самым эффективным в мире.

На какое-то время в области создания литий-ионных источников мы оказались впереди планеты всей. Надолго ли – неизвестно, поскольку тема эта на острие актуальности, и многотысячные научные коллективы в разных странах мира сейчас заняты ее разработкой. А значит, надо успеть воспользоваться той форой, которую дали нам технология сибирских ученых и чудо-мельницы, сделанные в Институте химии твердого тела.

— Сфера применения литий-ионных источников огромна, — говорит директор института Николай Ляхов. – Это не только аккумуляторы для автобусов. На электричество можно перевести велосипеды, самоходные тележки, газонокосилки, бытовые приборы и инструменты. Есть такая задача, как стабилизация частоты в городских сетях – по вечерам, когда люди приходят с работы и расход энергии резко повышается. Сегодня для этого используют очень сложные инженерные механические устройства. Их можно было бы легко заменить на литий-ионные батареи. Вспомогательные источники питания на железной дороге, электрокары в складских помещениях, наконец, компьютеры – возможности применения этих батарей неисчислимы. Взять тот же автомобильный транспорт, который скоро можно будет заряжать от розетки, как сотовые телефоны. Это целая отрасль, которая зарождается сегодня на наших глазах и в ближайшем будущем готова изменить мир.

Источник: Сибкрай.ru

Метки:: Thunder Sky, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, ИХТТМХ, литиевые источники тока, литий-железо фосфат, литий-ионная аккумуляторная батарея, литий-кобальт, нанотехнологии, Николай Ляхов, производство аккумуляторов, РОСНАНО, Россия, тяговый аккумулятор