Об эксперте: Антон Скибин, директор по направлению «Электроэнергетика» Кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково».
С развитием технологий растет и потребность в эффективных и мощных батареях. Ключевым компонентом для питания устройств от смартфонов до электромобилей остается литий. В России вопрос обеспечения сырьем стал еще острее, поскольку Аргентина и Чили, на границах которых находится более половины мировых запасов сырья, приостановили поставки. Пока у России есть запасы лития, но, чтобы избежать дефицита в будущем, планируется начать промышленную добычу металла. Закрыть потребности за счет внутреннего производства возможно будет, по оценкам экспертов, к 2030 году. Так, «Росатом» и «Норникель» готовят к освоению перспективное Колмозерское месторождение в Мурманской области. Помимо этого, в стране разрабатываются и альтернативные технологии.
Натрий или литий?
В течение последних двух десятилетий литий-ионные аккумуляторы являются одними из лучших типов батарей и пользуются большим спросом. Их выбирают из-за высокой плотности энергии (они могут выдавать 100–300 Вт⋅ч/кг, что больше по сравнению с аналогами), минимального саморазряда (4–6% за месяц, 10–20% за год), легкого веса, запаса рабочих циклов разряда-заряда (более 1000) и других преимуществ.
Однако литий — дорогостоящий щелочной материал, и его запасы по всему миру ограничены. Поэтому основная проблема литий-ионных батарей — растущий спрос, который все сложнее удовлетворять. В связи с развитием электротранспорта уже сейчас требуются более доступные и дешевые технологии накопления. Именно поэтому сегодня так активно обсуждается идея о массовом производстве натриевых батарей, которые не смогут полностью заменить литий, но станут возможной альтернативой.
Натрий — широко распространенный металл. Его стоимость значительно ниже, чем лития, что делает натриевые батареи потенциально рентабельнее. По мнению ученых, они менее подвержены тепловому выходу из строя и экологичны, поскольку изготовлены из более распространенных и менее токсичных материалов. Однако сейчас натрий-ионные аккумуляторы демонстрируют плотность энергии всего 120–160 Вт⋅ч/кг и без улучшений не смогут составить конкуренцию литий-ионным. Последние хоть и выше в цене, но могут обеспечивать большое количество стабильных циклов и долгое время выполнять свою прямую задачу. Плотность энергии — одна из важных характеристик для электромобиля. Для сравнения: известный всем бензин имеет самые высокие показатели — более 5 тыс. Вт⋅ч/кг. Помимо этого, существует еще много теоретически возможных накопителей, например металл-воздушные батареи, по которым удельная емкость оценивается до 3 тыс. Вт⋅ч/кг.
Выход накопителей на рынок
На снижение стоимости и появление альтернативных накопителей влияют исследования, изобретения, научная и техническая доработки. Показательный пример — свинцовые батареи, которые существуют более 150 лет. Сегодня технология отлажена, построены заводы и спрос на свинцовые батареи удовлетворен. Литий-ионным аккумуляторам потребовалось 40–50 лет, чтобы выйти на рынок. У натриевых батарей в этом плане есть преимущество. Технологию уже в течение 10–15 лет активно обсуждают в научных и лабораторных кругах. При этом базовая архитектура батареи не меняется — ученые используют наработки и подходы предыдущих лет.
Однако для изготовления натрий-ионных аккумуляторов необходимо подбирать оптимальные материалы, чем сегодня и занимаются российские ученые. Так, в прошлом году в своем исследовании специалисты из Сколтеха и МГУ впервые описали, синтезировали и испытали новый катодный материал, который увеличивает на 10–15% энергоемкость натрий-ионной батареи. Кроме того, благодаря этому материалу аккумуляторы смогут работать при низких температурах, что актуально для России. Также проводятся независимые исследования. Все это влияет не только на скорость появления натрий-ионных накопителей, но и на конечную стоимость батареи.
Следующий важный шаг — появление компаний, которые внедряют технологии в прототипы и проводят тесты. Дальше это должно перейти в полусерийные производства. То есть на основе химической системы будут создаваться продукты и будет появляться понимание, как это работает и полезна ли новая система, например, для электромобилей. Сейчас на уровне результатов из лабораторий пока сложно оценить, насколько эффективен натрий-ионный аккумулятор и где его точно будут применять.
Перспективы появления натрий-ионной батареи
Нельзя однозначно сказать, что натриевые батареи станут лучшей из альтернатив для электромобилей. Возможно, для создания подходящего аккумулятора ученые задействуют все стабильные химические системы накопления. Чтобы технология считалась стабильной, нужно учитывать три фактора. Первый — достигнут ли предел параметров. Например, литий-ионные аккумуляторы долгое время широко не применялись, потому что специалисты продолжали повышать емкость батареи. Первые системы выдавали всего лишь десятки Вт⋅ч/кг, позже показатель увеличился до ста. Сегодня речь идет уже о повышении емкости до 300 Вт⋅ч/кг, но это пока что предел.
Второй важный фактор — предсказуема ли цена, доступна ли система на разных рынках. Пока натрий-ионная система не стабилизируется с точки зрения цены, массово применяться она не будет. При этом такая батарея может быть дешевле или дороже аналоговых литий-ионных аккумуляторов. Все зависит от применяемых технологий.
И третий фактор — наносят ли натрий-ионные батареи критический ущерб экологии. Ученые должны предложить эффективный способ переработки аккумулятора или варианты его повторного использования. Также важно понимать, наносит ли вред окружающей среде получение исходных материалов для изготовления батареи и выделяются ли опасные вещества при ее работе. Помимо этих трех факторов существует еще много вопросов, которые необходимо исследовать. Только после получения всех ответов станет понятно, заменят ли натрий-ионные аккумуляторы литий-ионные или займут место одной из альтернатив.