Великое будущее батарейки

Изобретатель современных аккумуляторных батарей Акира Йосино считает, что уже в ближайшее время они станут сверхкомпактными и мощными, а привычные автомобили с ДВС вытеснят электромобили, зарядить которые можно будет прямо во время поездки

Акира Йосино — выдающийся изобретатель, химик, генеральный директор компании Yoshino Laboratory, входящей в состав японской Asahi Kasei Corp. С начала 1980-х он работает в области литий-ионных технологий аккумулирования энергии. Коммерциализация его разработок, совпавшая с IT- и телекоммуникационным бумом 1990-х, по сути, совершила технологическую революцию, приведя к уменьшению размеров и веса большинства портативных устройств — от видеокамер и мобильных телефонов до ноутбуков и планшетных компьютеров. А изыскания, которые сейчас ведутся под руководством Акиры Йосино, подталкивают человечество к все более массовому применению электромобилей. Йосино — фанат технологий беспроводной подзарядки аккумуляторов. В результате их будущего массового применения, считает он, электромобили быстро вытеснят своих бензиновых собратьев. За выдающиеся достижения в науке и технике в области энергетики Акира Йосино стал лауреатом «Глобальной энергии» этого года, разделив премию — свыше миллиона долларов — с российским академиком Владимиром Фортовым.

— Доктор Йосино, как люди оказываются в науке? Как это было в вашем случае?

— Не поверите, но что касается меня, у меня в руках случайно оказалась книга Майкла Фарадея «История свечи». В свое время Фарадей прочитал несколько лекций для детей, в которых рассказывал о различных законах природы, с которыми связано горение свечи — они и вошли в книгу. Там на понятном ребенку языке говорится, почему горит свеча, почему мы видим ее свечение, почему появляются блики разных цветов. Книга эта тогда доставила мне огромное удовольствие, показав, что многие секреты природы можно раскрыть, и уже двенадцатилетним мальчишкой я сам мечтал открывать тайны природы, стал прилежнее заниматься в школе, чтобы потом поступить в уни

— Но изначально ваша специальность была далека от всего, что связано с электричеством и электротехникой, и по окончании университета ни о каких батарейках вы не помышляли.

— Так и есть. В 1972 году я окончил кафедру органической химии в Университете Киото и поступил в корпорацию Asahi Kasei. Это многоотраслевой холдинг (его годовой оборот — около 20 млрд долларов в год. — «Эксперт»), здесь разрабатывают, производят и продают различную химическую продукцию. Чем только не занимается компания: строительными и конструкционными материалами, электронными компонентами, химическим и искусственным волокном и нитями, тканями и неткаными материалами, было даже собственное фармацевтическое подразделение. Еще какие-то отделы, вероятно, появлялись или исчезали, уже когда я работал в компании. Важнее, однако, другое: там было одно подразделение, которое ведало только бизнесом, и другое — самостоятельный исследовательский блок Лаборатория Кавасаки, куда я и попал работать. Здесь занимались исследованием материалов и всяких химических процессов, поэтому для меня было совершенно логично, окончив отделение органической химии, в итоге поступить на работу именно в эту лабораторию. Там мне была определена тема, по которой обычно работают несколько только поступивших на должность исследователя выпускников университета. Вот с этого все началось. И затем — опять-таки совершенно обычная практика для этой лаборатории, — если молодые ученые сразу не нашли себя в тех или иных направлениях исследований или они им стали неинтересны, их могут перекинуть на другие темы, они могут попробовать себя в других сферах деятельности. И тема, которая привела к батарейкам, для меня была, кстати, уже четвертой, которой я занимался в этой лаборатории.

— Вы именно о литий-ионных батарейках говорите?

— Я начал заниматься полиацетиленом, который мог бы использоваться в литий-ионных батареях в качестве катодного материала. Было это где-то в 1981 году.

— Почему в истории с литий-ионными батареями этот углеродистый полимер оказывается так важен?

— Полиацетилен представляет собой электрический проводящий полимер, его свойства были изучены профессором Хидэки Сиракавой, который получил за это открытие Нобелевскую премию по химии в 2000 году. Связь здесь такая. Как вы знаете, существуют так называемые первичные — одноразовые — батареи и вторичные, перезаряжаемые, то есть аккумуляторные батареи. Аккумуляторные очевидно удобнее одноразовых. Известны аккумуляторные батареи с водным электролитом — никель-кадмиевые и никель-магниевые батарейки, популярные на рынке еще лет десять-пятнадцать назад и сейчас часто еще применяемые в различных переносных электромеханических устройствах, таких как шуруповерты, где требуется большой ток разряда. Так вот они как раз из таких батарей — с водным электролитом. Но проблема «водных» аккумуляторов заключается в том, что напряжения выше 1,5 вольта они выдать не в состоянии, так как при более высоком напряжении там начинаются электролизные процессы. Это означает, что ни снизить серьезно вес батареи, ни повысить плотность накопленной в ней энергии нельзя. Батареи же с неводными электролитами способны давать напряжение 3 вольта и более, а значит, при той же плотности накопленной энергии могут быть в разы более легкими и в одной ячейке питания хранить столько же энергии, сколько в нескольких водных аккумуляторах, что и требовалось для получающей все большее распространение портативной техники. В начале 1970-х быстро нашли место на рынке первичные элементы, незаряжаемые «батарейки» — легкие и с довольно большой удельной энергией батареи с безводным электролитом и с литиевым анодом, позволившие резко повысить как рабочее напряжение батареи, так и ее удельную энергию. Так появились одноразовые литиевые батареи, известные на рынке и сегодня.

— А разработка аккумуляторов на безводной основе застопорилась?

— Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной техники, то создание безводных литий-ионных аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности — на их преодоление потребовалось более двадцати лет. На создание такой батареи у меня лично ушло в итоге почти пятнадцать лет.

Как я уже говорил, я начал заниматься полиацетиленом, который мог использоваться в таких батареях в качестве катодного материала, примерно в 1981 году. Тогда стало ясно, что этот углеродистый материал оказался весьма удобной матрицей для интеркаляции, вкрапления, ионов лития (при разряде такого аккумулятора происходит деинтеркаляция ионов лития из углеродного материала, а во время зарядки — интеркаляция, ионы как бы заполняют ячейки углеродистого материала. — «Эксперт»). Но скоро я понял, что, хотя полиацетиленовая ячейка вполне функциональна, ее низкая реальная плотность ограничивает доступный энергетический потенциал батареи, к тому же химическая стабильность материала оказалась ограниченной. Поэтому для применения в качестве отрицательного электрода я изучил пригодность нескольких других углеродистых материалов. И обнаружил, что некоторые из них, с определенной кристаллической структурой нанометровой величины — углеродные волокна, выращенные из паровой фазы моими коллегами Оберлином, Эндо и Коямой за несколько лет до этого, могут обеспечивать большую мощность батареи в целом.

Акира Йосино уверен, что беспроводная передача электроэнергии станет следующим технологическим прорывом
Фото: Александр Крупнов

— Когда вы почувствовали, что находитесь на пороге успеха?

— Приемлемую аккумуляторную батарею я изготовил уже в 1985 году, когда понял, из какого материала нужно делать анодную часть литий-ионной батареи. На этот раз мне помогла в этом работа американского ученого из Техасского университета Джона Гуденофа. Еще в 1980-м он опубликовал в журнале Material Research Bulletin статью, в которой описал свойства LiCoO2 в качестве возможного анодного материала для вторичной батареи. А ученые Ядзами и Тузаин провели первые удачные эксперименты по интеркаляции ионов лития из литированных оксидов кобальта в углеродный материал.

Так появилась сначала идея, а потом и сама новая система неводной вторичной батареи, работающей с помощью переходных металлов литированных оксидов кобальта, содержащих ионы лития, в качестве положительного электрода и углеродистых материалов в качестве отрицательного электрода. По сути это был уже настоящий литий-ионный аккумулятор с безводным электролитом, с существенным по сравнению с водными аккумуляторами улучшением плотности энергии, что позволило значительно снизить размер и вес самого аккумулятора. Кроме того, такие батареи использовали в своей работе не химическое превращение, что означало стабильные характеристики работы самого аккумулятора, сохраняющиеся в течение длительного срока службы, в том числе высокую долговечность цикла с небольшим уровнем деградации накапливаемой энергии. Главное — в этой системе не происходит перемещения самого металлического лития, не происходит никаких химических реакций, а процессы разряда и заряда сводятся лишь к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Это было важно: некоторые работы с безводными литиевыми аккумуляторами приводили к их самовозгоранию в результате замыкания.

— Оставалось новое изделие продать.

— Что вы, до этого еще было далеко. Но это был тот этап, когда все говорили, насколько востребованы портативные приборы, что необходимо уменьшать размеры аккумуляторов. Мне почему-то вспоминается, что чуть ли не основным стимулом для развития новых батарей в конце 1980-х была необходимость в подобных батареях для переносных восьмимиллиметровых видеокамер. Но кому нужны самовозгорающиеся батарейки? В 1986 году мы испытали наши батарейки на взрывоопасность, сбрасывая на них тяжелые металлические блоки. Они выдержали испытание. Это был переломный момент для начала коммерциализации литий-ионных батарей, потому что их ждали. После необходимых доработок в 1991 году по нашему заказу Sony выпустила первые коммерческие ЛИБ, а годом позже это сделало совместное предприятие Asahi Kasei и Toshiba. СП потом разорилось, и выяснилось, что для Asahi Kasei выгоднее продавать лицензии на выпуск таких батарей другим компаниям, поставляя им для дальнейшей сборки материалы собственного производства фактически для всех частей устройства. И если в 1992 году мы представили продукт еще как разработку, неопробованную инновацию, то в 1995-м, через три года прилизывания всех технологий, мы представили ЛИБ уже в качестве массового продукта. Плотность накапливаемой в ЛИБ энергии вдвое превышала показатели никель-кадмиевых или металлогидридных аккумуляторов, при этом она была вдвое легче и занимала намного меньше места. Это способствовало значительному сокращению размера и веса всего источника питания для портативных устройств.

— То есть выход батарей на рынок оправдал надежды?

— Я бы так не сказал — скорее он не подтвердил радужных расчетов маркетологов: в 1995 году было продано таких батарей всего на несколько сотен тысяч долларов по всему миру, дело двигалось еле-еле, и это при таких-то ожиданиях. Ну а затем рынок портативной техники стал развиваться просто дикими темпами, появился Windows и лэптопы, электронные игрушки и мобильные телефоны, соответственно, потребность в батарейках все более и более возрастала. И уже через пять лет продажи превысили 5 миллиардов долларов, а в текущем году дорастут почти до 20 миллиардов (см. график. — «Эксперт»). Мы ожидаем, что к 2020 году рынок превысит 40 миллиардов долларов, но это при обязательном условии развития электромобилестроения.

— Как отреагировали на инновацию ваши коллеги-ученые?

— После начала продаж ЛИБ в университетах и исследовательских центрах произошел настоящий взрыв изысканий в этом направлении. Если до коммерциализации наших ЛИБ в мире существовало меньше сотни заявок на патенты на эту тему, то в 2000 году их было уже три тысячи, а год назад — более пяти тысяч.

— А что предлагают ученые? Литий-ионные батареи развиваются стремительно, дешевеют на глазах. Но критики говорят: есть такое ощущение, что идут только чуть улучшающие инновации. Прогнозируете ли вы появление революционных изменений в технологиях ЛИБ? Есть ли перспектива у новых литиевых технологий, например литий-сера, литий-воздух, других типов батарей?

— Что касается самих батарей, я бы условно разделил исследования в области ЛИБ на две части. Я думаю, что в развитии технологий будет два этапа, то есть усовершенствование пойдет по двум направлениям. Первое — когда мы будем улучшать ныне используемые материалы, а второе — когда мы эти материалы будем менять на совершенно другие. Тех, кто занимается более перспективными поисковыми работами, связанными с применением новых материалов, например с пресловутым нанокремнием, успехи ждут не раньше чем через десять-пятнадцать лет. «Традиционалисты» пытаются улучшить параметры существующих батарей, занимаются технологическими достижениями в области углеродистых материалов, полимеров, керамики, электрохимии в рамках уже заданных технологических парадигм. Вот как раз благодаря этим исследованиям мы ожидаем серьезных изменений в улучшении свойств материалов, используемых при создании литий-ионных аккумуляторов в четырех основных блоках — катоде, аноде, электролите и сепараторе — уже в ближайшие годы.

— Эти изменения приведут к увеличению энергоемкости батареи, уменьшению ее размеров и цены?

— Да, конечно. Например, плотность энергии сейчас составляет порядка 180 ватт-часов на килограмм, но уже через несколько лет нормой станет 250 ватт-часов. Мы сейчас работаем над аккумулятором для автомобиля, который вскоре сможет проезжать на одной зарядке 500 километров вместо 200 теперешних.

— Все же электромобили?

— Я думаю, электромобили непременно вытеснят с дорог автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Мы многое для этого делаем. Но на этом пути нам уже в ближайшие годы нужно будет параллельно решать проблемы, возникающие в двух плоскостях. Первое — усовершенствование собственно аккумуляторных батарей, второе — создание технологий их подзарядки. Что касается традиционных ЛИБ, теоретически невозможно получить ячейки напряжением свыше 6 вольт. Но биполярные электроды позволяют увеличить номинальное напряжение гораздо больше — до 420 вольт. Трудность в том, что для таких электродов необходим твердый электролит с высокой ионной проводимостью, и поисковые работы здесь только начинаются.

Что касается технологий подзарядки, то я фанат идеи беспроводной подзарядки электромобилей, и не только их. Здесь могут сосуществовать три основные технологии: электромагнитная индукция, но пока это работает на длину всего 10 сантиметров; использование электромагнитных резонансных полей на средние расстояния — длина приема уже достигает 10 метров; прием радиоволн. Тут много еще вопросов — прикиньте, перекинуть за счет электромагнитной индукции тысячи ватт энергии. Если обеспечить безопасность, то зарядка аккумулятора электромобиля может происходить на определенных участках дороги прямо во время поездки, что сделало бы его почти свободным от источника питания или станции подзарядки. Так или иначе, по всем этим направлениям сейчас очень активно идут испытания: возможно ли в принципе подзаряжать автомобиль, пока он двигается? И исследования говорят, что вполне возможно. Очевидно, что для этого нужно будет выстроить инфраструктуру, но это отдельный разговор. Беспроводная передача по всему миру станет следующим энергетическим прорывом. Возможно, в ближайшем будущем передача электроэнергии будет сродни передаче мобильного сигнала. И заряжать батарейки и компьютерные аккумуляторы можно будет без всяких розеток и проводов.

— Господин Йосино, а какой вы представляете себе энергетику будущего, ведь каким бы способом — динамичным или стационарным — ни подкармливать электромобили, без электроэнергии они все равно не обойдутся?

— Я все же сторонник возобновляемых источников энергии. Я, конечно, понимаю теперешнее внимание своего правительства (после отказа от атомной энергии. — «Эксперт») к более надежным источникам энергии, таким как газ или нефть, но постепенно должен укрепляться имидж технологий чистой энергии как недорогого источника электричества. Кстати, и мы сейчас работаем над созданием нового типа батарей, которые смогут не только хранить, но и производить энергию, правда, здесь я вам деталей не скажу, так как это дело только в самом начале. Потом у меня особый взгляд на биоресурсы. Я бы обратил на них внимание не с той точки зрения, что из них можно получить древесные или фекальные пеллеты для сжигания в печи или метанол из кукурузы в качестве добавки в машинное топливо. Живая природа умеет воспроизводить себя, пользуясь только энергией солнечного света, и, я думаю, со временем человек научится строить новые энергетические системы по образцу растений, получая электроэнергию напрямую из растений и других живых организмов. Но это дело совсем далекого будущего.

Как зарядить электромобиль по дороге
Согласно данным исследования компании Frost & Sullivan «Анализ стратегически важных технологий и рынка инфраструктуры зарядки электромобилей в Европе», рынок станций подзарядки вырастет с 7,25 тыс. единиц в 2012 году до более чем 3,1 млн в 2019-м. Среднегодовой темп роста отрасли в 2012–2019 годах составит 113,3%. Страны-лидеры здесь Франция, Германия, Норвегия и Великобритания, поскольку электромобили там особенно популярны.

Развитие инфраструктуры подзарядки играет огромную роль в поддержании роста рынка электромобилей. Наличие достаточного количества станций подзарядки означает, что пользователи электромобилей будут более уверенно чувствовать себя на дороге, не опасаясь путешествий на длинные дистанции. Но практически в 83% случаев подзарядка электромобилей будет выполняться у дома или на парковке, где транспортное средство ежедневно стоит по 8–10 часов.

Будет также востребована индукционная подзарядка, однако широкое внедрение этой технологии, скорее всего, начнется только после 2014 года.

Несмотря на в целом положительную динамику рынка электромобилей, сохраняется ряд факторов, замедляющих его рост. В первую очередь это невозможность проехать достаточно большое расстояние на одной подзарядке, а также длительное время подзарядки — от 30 минут до 10 часов. Но активные исследования, проводимые в этой области, позволяют надеяться, что участники рынка смогут предложить инновационные технологии для решения этих проблем. Среди новых актуальных тенденций выделяется технология быстрой подзарядки от переменного тока, которая позволит подзаряжать автомобили за 2–3 часа. Эта технология будет оптимальным решением для публичных мест, например кинотеатров и торговых центров.

Еще одна сложность — необходимость выработать единую стандартизированную бизнес-модель, поскольку в разных европейских странах действуют разные правила и стандарты использования электроэнергии. Если на рынке сохранится подобная положительная динамика, разработка динамичной бизнес-модели станет ключевым условием будущего роста. Улучшение доступности инфраструктуры подзарядки в стратегически важных публичных местах позволит развеять опасения пользователей, связанные с чрезмерной разреженностью сети станций. Новые технологии, позволяющие ускорить процесс подзарядки, а также повысить надежность и безопасность данной инфраструктуры, ускорят распространение электромобилей, считают во Frost & Sullivan.

График 1
Мировой рынок литий-ионных батарей по секторам потребления

Мировой рынок литийu002Dионных батарей по секторам потребления