Создание батареек будущего – уже реальность

me

Виктор Кривченко, участник Программы инноваций Сколтеха и старший научный сотрудник Института ядерной физики МГУ

Виктор Кривченко, участник Программы инноваций Сколтеха и старший научный сотрудник Института ядерной физики МГУ убежден: ближайшее будущее за теми продуктами и технологическими идеями, которые пока существуют только на чертежах. Его проект – разработка материала для литий-ионных батарей – яркая иллюстрация такого продукта. Ведь кто знает, возможно, именно технологические решения, предложенные группой молодых ученых под руководством Виктора, лягут в основу создания батареек будущего.

Как родилась идея проекта и почему ваша команда пришла в Сколтех?

Виктор Кривченко: Изначально мы занимались синтезом и исследованием свойств материалов на основе графена. В определенный момент мы пришли к решению, что наши материалы могут быть использованы при создании литий-ионных батарей нового поколения. Смена приоритетов идеально совпала с новой программой инноваций Сколтеха. Мы подали заявку, предварительно проделав немалый труд: проанализировали рынки, составили и предоставили всевозможные отчеты о потенциале продукта и о нашем видении. Все оказалось не зря – заявка получила высокий рейтинг, и нас пригласили. В самом начале проекта мы были сфокусированы на создании материала для тонкопленочных литий-ионных батарей, т.е. батареек толщиной менее миллиметра. Однако после проведения бесчисленного количества исследований и консультаций с менторами Сколтеха мы пришли к выводу – такие батарейки все еще остаются делом будущего. Попросту оказалось, что современные миниатюрные электронные устройства вполне могут работать и на батареях, собранных по обычной технологии с использованием традиционных материалов. Поэтому было принято решение расширить круг потенциальных приложений, где можно использовать батареи на основе нашего материала.

В чем польза Программы и что она дала вашему коллективу?

В.К.: На мой взгляд, главная цель – задать нужный вектор. Ученые – особый народ, а молодые коллективы даже в большей степени нуждаются во внешней поддержке. Непрерывное общение с менторами, нестандартные задачи и вовлечение ученых во все процессы (от маркетингового анализа до коммуникаций с индустрией) заставляет взглянуть на научный результат новыми глазами, оценить его потенциал с разных сторон.

Основная польза Программы заключается в наличии двух элементов. Во-первых, это обучение, в ходе которого нам рассказывали, на чем нужно сделать акценты, чтобы научно-исследовательские результаты были интересны реальным производителям. Другими словами нам объясняли, как говорить с реальными производителями на одном языке. Во-вторых, конечно же, это финансовая поддержка, без которой было бы сложнее фокусироваться на получении результата.

Расскажите о команде, кто работает вместе с вами?

В.К.: У нас она молодая – возраст не превышает 33 лет. При этом все ребята достаточно увлеченные, и прекрасно понимают перспективность проводимых исследований. Кроме того, это уникальная возможность получить новый опыт, т.к. формат таких проектов для российской научной среды многим в новинку. Поэтому к участию в проекте отнеслись очень серьезно. Успешность выполнения проекта во многом зависит от слаженности команды. В целом команда работала как часы: каждый четко понимал свою значимую роль и область ответственности. В процессе работы довольно часто у ребят возникали какие-то свои идеи, которые сразу же проверялись экспериментально. Это очень позитивно влияет на командный дух и общее эмоциональное состояние. Можно сказать, что это тот самый случай, когда работа – праздник!

team

Команда у нас она молодая – возраст не превышает 33 лет. На фото в неполном составе, однако (слева направо): Виктор Кривченко, Павел Воронин, аспирант МГУ и Кирилл Миронович, аспирант МГУ

Программа инноваций предоставляет услуги менторов на один год. Каким был этот год для вас?

В.К.: Напряженным, но интересным! Год был условно поделен на несколько блоков, каждый из которых имел свои цели и результаты. Мы выполняли определенные задачи, проводили научные исследования, анализировали результаты, отчитывались и делали прогнозы. Взаимодействие с менторами в данном случае оказалось необходимым, т.к. живое общение и непрерывное обсуждение результатов очень сильно помогает отсечь лишнее. В этом, например, я вижу основное отличие от государственных программ, направленных на поддержку ученых. Говоря простыми словами, государство просто выделяет деньги, а Сколтех ведет тебя на протяжении всего пути: от сомнений и идей к первым результатам и успехам.

Перейдем к проекту. В чем его ценность?

В.К.: С удовольствием расскажу! Свойства литий-ионных батарей определяются свойствами электродных материалов. Поэтому решение проблемы энергоэффективности батарей напрямую связано с разработкой новых материалов с улучшенными функциональными свойствами.

Если рассмотреть эволюцию электронных устройств, то можно отчетливо увидеть тренд: миниатюризация и повышение функциональности. Наши гаджеты становятся умнее, но период их работы без подзарядки батареи постоянно снижается. Причина в отсутствии эффективных накопителей энергии. При этом пропасть между производителями накопителей энергии и разработчиками электронных устройств растет гигантскими темпами…

В рамках нашего проекта мы были сфокусированы на разработке материала отрицательного электрода, т.е. анода.

Одним из наиболее перспективных анодных материалов является кремний, удельная емкость которого почти на порядок выше традиционного анодного материала – графита. Основным недостатком кремния является быстрая деградация его электрохимических характеристик в результате значительных структурных изменений в процессе литирования/делитирования.

По этой причине последние десятилетия ученые пытаются стабилизировать свойства кремния. При этом одним из наиболее прогрессивных подходов является создание наноструктурированных кремний-углеродных композитных материалов.

Наша команда также стала использовать этот подход. Новизна состоит в том, что мы взяли плазмохимически синтезированный материал на основе графена и сделали из него матрицу, внутрь которой внедрили кремний. После длительных исследований выяснилось, что такой подход позволяет создать анодный материал с крайне стабильными функциональными характеристиками.

5

Год был условно поделен на несколько блоков, каждый из которых имел свои цели и результаты. Мы выполняли определенные задачи, проводили научные исследования, анализировали результаты, отчитывались и делали прогнозы. Взаимодействие с менторами в данном случае оказалось необходимым, т.к. живое общение и непрерывное обсуждение результатов очень сильно помогает отсечь лишнее.

Таким образом, главная цель проекта – доведение батарейки нового типа до определенной емкости?

В.К.: Я бы сказал, что это глобальная цель – создать батарейку с рекордно высокой емкостью. В рамках нашего проекта со Сколтехом мы только постарались разработать эффективный анод. Дело в том, что работа только с анодом полностью решить проблему энергоэффективности не может. Необходимо разрабатывать и новый положительный электрод – катод, а также электролит.

Сейчас разработка кремний-углеродных анодных композитов очень популярная тема. Однако в ходе выполнения проекта у меня возникло убеждение, что двигаться нужно и в другом направлении. К примеру, металлический литий намного лучше кремния по удельным характеристикам, но, конечно же, и у него есть существенные недостатки. Главный – небезопасность. Так, если чистый металлический литий поместить в батарейку, то она, с большой вероятностью, загорится в процессе использования по причине возникшего внутреннего короткого замыкания.

Поэтому я считаю, что помимо создания кремний-углеродных композитов необходимо разрабатывать защитные покрытия, способствующие стабилизации металлического лития. Мы уже провели ряд исследований и пришли к выводу: такие покрытия работают и позволяют защитить батарею. Кстати, это решение пришло ко мне благодаря участию в Программе. Если бы мы не посмотрели на программу шире, я уверен, – продолжали бы делать акцент только на кремнии.

1Какое будущее у батареек?

В.К.: Развитие индустрии литий-ионных батарей имеет свои естественные ограничения, обусловленные свойствами материалов. Примером служат кремний-углеродные композиты. Характерная удельная энергия современных батарей, как правило, не превышает 150 Вт*ч/кг. Максимум, чего можно добиться, разрабатывая новые материалы, это 300-350 Вт*ч/кг. Кажется здорово, в два раза! Для смартфона этого на какое-то время окажется достаточно, а для космических проектов, робототехники и транспорта нужно 800-900 Вт*ч/кг. Литий-ионные батареи такого обеспечить не могут. Крайне перспективным направлением является создание литий-серных батарей. Такие системы известны еще с 60-х годов, однако для того, чтобы наладить массовое производство таких батарей, необходимо еще решить множество научно-технических проблем.

3

Виктор Кривченко на финальной презентации Программы Инноваций Сколтеха

Чем обусловлен коммерческий потенциал таких батарей?

В.К.: Потенциал велик! И он обусловлен спросом как со стороны производителей высокотехнологичных бытовых портативных электронных устройств (мобильные телефоны, планшеты и т.д.), так и со стороны производителей крупной наукоемкой техники. Кроме того, создание батарей с повышенной емкостью окажет стимулирующее действие на развитие таких направлений как электротранспорт, стационарные системы накопления энергии и робототехника.

Каким вы видите развитие проекта дальше?

В.К.: Мы, безусловно, планируем продолжать заниматься литий-ионной тематикой. Это важное современное направление. Однако решение проблемы энергоэффективности литий-ионных батарей требует комплексного подхода. К примеру, у нас также есть наработки в области синтеза катодного материала на основе оксида ванадия. Материал с очень привлекательными свойствами, и интерес к нему уже проявили компании в Германии и Корее. Кроме того, наша группа ведет исследования в области синтеза эффективных керамических литий-проводящих мембран. При этом, в ближайшем будущем мы все-таки планируем заняться и литий-серными системами – перспективнейшим направлением! Сейчас формируем команду под эту задачу. Уверяю вас, продукты, которые сегодня представлены только на чертежах инженеров, очень скоро станут ежедневной реальностью. Интересной работы много и мы очень рады возможности внести свой вклад.

4

Непрерывное общение с менторами, нестандартные задачи и вовлечение ученых во все процессы (от маркетингового анализа до коммуникаций с индустрией) заставляет взглянуть на научный результат новыми глазами, оценить его потенциал с разных сторон.

 

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK