Батарейный технологический центр: как разрабатывают катодные материалы мирового уровня

У вас в смартфоне стоит батарейка или аккумулятор? Батарейки — одноразовые источники питания. Аккумуляторы — устройства для накопления энергии, которые можно заряжать и разряжать многократно. Чаще путаница возникает с другим термином: батарея — соединение, состоящее из нескольких аккумуляторных ячеек.

В смартфоны чаще всего устанавливают аккумулятор с умной системой управления и контролем заряда. В автомобиле Tesla установлена одна батарея, включающая в себя тысячи ячеек, систему контроля и управления, корпусные детали, систему охлаждения и др. Каждая из ячеек в батарее Tesla похожа на обычную батарейку AA (форм-фактор 18650, 21700 или 4680).

Схема устройства у батарейки и аккумулятора одинаковая: анод (отрицательный электрод), катод (положительный электрод), сепаратор, который предотвращает прямой обмен электронами между ними, и электролит, через который идет обмен ионами.

Различия возникают в материалах, которые используются для изготовления каждого из компонентов. В распространенных литий-ионных аккумуляторах источником ионов лития является катод, но это не единственный компонент. Например, есть литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы, где катод состоит из смешанного оксида этих металлов. Подобрать эффективные пропорции непросто. Поэтому разработка каждой составляющей — отдельная задача, а организация всей цепочки до конечной батареи невозможна для одной компании.

«Мы понимаем, что должны сфокусироваться на сегменте батарейных материалов. Для нас в этом сегменте интерес представляет химия на основе никеля. В катодном материале, который мы синтезируем, на никель приходится 80-90% от общего содержания металлов», — объяснил выбор направления вице-президент «Норникеля» по инновациям Виталий Бусько.

Состав прекурсора (смеси гидроксида никеля — кобальта — марганца) во многом определяет характеристики итогового катодного материала. Соотношение металлов, процесс изготовления — влияющих на результат параметров очень много. Именно с этого этапа изготовления прекурсора начинается наш маршрут по Батарейному технологическому центру.

Линия по производству прекурсоров занимает первый этаж лаборатории и условно поделена на два помещения. Мы проходим по коридору и заглядываем в помещения с оборудованием. Если первое из них похоже на простое рабочее место ученого, то второе — на лабораторию алхимика.

Как рассказывает сотрудник лаборатории Николай Новиков, в первом помещении взвешивают ингредиенты — порошки солей металлов: сульфаты никеля, кобальта и марганца. Они поражают разнообразием цветов. Тут приходит мысль, что истинное начало жизненного цикла этого процесса — на руднике, там, где добываются руды, содержащие ключевые металлы, участвующие в процессе.

Сульфаты металлов передают в «лабораторию алхимика». В этой комнате даже создан второй этаж! Высоким людям тут работать непросто. Здесь в специализированных емкостях сульфаты растворяются в деионизированной воде. В отдельном сосуде готовится водный раствор щелочи. Как раз замечаем бак с наклейкой «деионизированная вода» у выхода. Это чистая H2O — плюс два к степени очистки дистиллированной воды. Конечно, уточняем у сотрудника лаборатории, можно ли ее пить: «Пить можно, но невозможно напиться, потому что в ней нет солей, которые утоляют жажду». Решили не пробовать.

Процесс синтеза контролируется с единого щита управления. Растворы подаются по трубам, смешиваются и направляются в реактор — сердце синтеза. Туда же подается водный раствор аммиака, подготавливаемый в другом помещении.

В 50-литровом реакторе, в условиях инертной атмосферы под нагревом, ингредиенты взаимодействуют, формируются частицы прекурсора. Каждый час отбирают пробы, чтобы убедиться в соответствии материала ожидаемым параметрам. Установить датчики тут нельзя, ученый вручную под микроскопом проверяет процесс формирования частиц.

Рядом с реактором есть его «близнец» — емкость для старения. Компоненты туда не подаются, но есть нагрев и смешение. Там синтез продолжается, пока реактор готовят к новому синтезу: замешиваются ингредиенты за пару часов, а синтез протекает от 40 до 60 часов. На этом этапе ученые тоже «играют» с параметрами. Например, замедляют формирование частиц. Даже это влияет на итоговые параметры катодного материала и электрода аккумулятора.

Полученную готовую смесь откачивают в центрифугу, где ценный осадок отделяют от раствора. Потом частицы промывают в слабощелочном растворе и сушат. Сухой прекурсор упаковывают в пакетики. Поражает яркий цвет результата. «Специалисты, которые долго работают, могут по цвету примерно определить состав синтезируемого материала. Если зеленый — много никеля, бурый — много марганца», — поясняет Анна Колмычевская, руководитель научных проектов развития батарейных технологий.

Из-за вентиляции тут довольно шумно. Наверху, ближе к нам, за компьютером сидит еще один сотрудник лаборатории. А в дальнем углу эффектно бурлит огромный сосуд. Спрашиваем, что это, — оказывается, это устройство, предназначенное для очистки газа от аммиачных паров, там бурлит аммиачная вода. Там же есть мини-версия реактора, в котором ведутся эксперименты, пока запущен синтез в большом реакторе.

Несмотря на участвующие в реакции компоненты, тут совершенно безопасно находиться. «У нас в лаборатории организована система автоматического газоанализа, во всех помещениях стоят газоанализаторы. При повышении концентрации паров аммиака включается дополнительная вентиляция и работает, пока уровень не упадет до безопасного», — рассказывает Николай Новиков.

По дороге проходим мимо огромных машин, по шуму похожих на вытяжки, не ошиблись.

«Это место — "гараж" для осушительной машины, которая обслуживает сухую комнату, чистое помещение, где собирают аккумуляторы. Длина машины — 12,5 метров. Единственное подобное оборудование в Санкт-Петербурге, а возможно и вообще на северо-западе страны», — рассказывает Дмитрий Поддубный, начальник лаборатории, который руководил ей еще до покупки «Норникелем». Кажется, мы нашли объяснение, почему выбор пал на это место! Шутим, лаборатория действительно очень комфортная.

Продолжаем путь материала. В прекурсоре нет самого главного — источника заряда. В нашем случае это литий. Чтобы насытить прекурсор литием, частицы смешиваются с гидроксидом лития в высокоинтенсивных смесителях. Процесс быстрый, в зависимости от объема материала он длится от нескольких секунд до нескольких десятков минут. Смесь материалов засыпается в керамические «поддоны» — тигли — и отправляется в печь.

«Эти печи для синтеза катодных материалов уникальны для страны. Они универсальны, могут работать в широком диапазоне температур по заданной программе нагрева, в них можно создавать разную атмосферу, в том числе кислородную», — объясняет Евгений Зарубенко, главный технический специалист.

Стандартные катодные материалы синтезируют при температуре от 700 до 950 градусов, предел нагрева печи — около 1200 градусов Цельсия. Процесс длится примерно сутки, большая часть времени уходит на остывание. При работе печи в помещении не так уж жарко. Система кондиционирования и вентиляции поддерживает комфортные для работы условия.

В тигли помещается от двух до четырех килограммов материала, в печь влезает четыре тигля. За один обжиг можно получить более 10 килограммов катодного материала. Масса после спекания уменьшается примерно на 30%, и результат не похож на кирпич, как мы думали. Скорее, просто на спекшийся порошок, которому потом в мельнице возвращают «нормальный формат». Затем с помощью сита избавляются от комочков и упаковывают «новое черное золото» в пакеты.

У частичек сложная форма, они не похожи на гранулы песка. Как объясняет Евгений Зарубенко, простейшие катодные частички будто бы созданы из наростов, но в мире ученые разрабатывают и более сложные структуры, например, с насыщенным никелем ядром, на которое наслаиваются другие компоненты. Такой формат называется «core shell». В российской лаборатории тоже ведутся исследования — ученые пробуют «укрепить» частички добавками.

«Когда аккумулятор работает, частица катодного материала незначительно расширяется и сжимается, и может разрушаться. Почему аккумуляторы вечно не работают? Одна из причин – механическое разрушение катодных материалов. Мы ищем способы сделать частицы более устойчивыми и продлить срок службы аккумуляторов на 20%, 40% и даже 60%», — объяснил Евгений Зарубенко.

На втором этаже в лаборатории порошок распаковывают, смешивают с растворителями и наносят тончайшим слоем на алюминиевую фольгу. Толщина разная (в среднем 150 микрометров), зависит от массы электрода, который ученые хотят получить. Казалось бы, руками такую работу не проделать.

Намазанную на фольгу пасту высушивают и получаются черные матовые листы — снизу фольга, сверху слой, включающий катодный материал. Остается вырезать катод нужной формы и размера. Под аккумуляторы-коины вырезаются небольшие кругляшки.

Из таких кругляшков анода, катода, сепаратора и капли электролита мы сами на столе собрали дисковые макеты CR2016 (коины). Признаемся, неработающие. В качестве электролита у нас был изопропиловый спирт. Электролит взаимодействует с влагой воздуха, поэтому так просто на столе с ним не работают. Работающие коины собираются в перчаточном боксе — управлять пинцетом в толстых перчатках очень непросто, ювелирная работа! Аккумуляторы побольше собирают в сухом помещении, там приходится надевать защитный комбинезон.

Каждый новый тестовый катодный материал сперва исследуют в коинах. Делают множество штук и отправляют на проверку в специальный стенд, где при комфортных 25 градусах Цельсия аккумуляторы разряжаются и заряжаются. Датчики собирают информацию об их работе, характеристиках, по которым судят о скорости деградации. Количество циклов заряда/разряда зависит от того, какой параметр проверяют: может быть 20, а может и 2000 циклов. Как думаете, сколько времени уходит на 2000 циклов? Ответ: примерно полгода. Если катодный материал хорошо себя показал, из него делают аккумуляторы побольше, в корпусе из ламинированной фольги — паучи.

«Вся эта линия максимально приближена к тому, как она организована в промышленных масштабах, просто на производстве реакторы объемом в кубометры. Лабораторный масштаб — обычно граммовый, мы же уже готовим килограммы материала, это сильно приближено к тому, что делают на пилоте завода.

Впрочем, мы не делаем по 10 килограммов катодного материала постоянно. Мы проверили мощности, протестировали возможности. Сейчас у нас задача попробовать как можно больше различных параметров. Килограммовый масштаб нужен, чтобы проверить масштабируемость и сделать больше ячеек для тестирования», — объясняет Анна Колмычевская, руководитель научных проектов развития батарейных технологий.

«На данный момент мы прошли два этапа: от получения десятков граммов катодных материалов за синтез до десятка килограммов. Согласно мировым практикам, следующим этапом должно стать строительство пилотной установки для производства 10 тонн материала в год. Сейчас мы рассматриваем различные локации для потенциального размещения пилотной установки, строительство которой может занимать два-два с половиной года. Дальше идет этап строительства полноценного завода, который сможет производить до 10 000 тонн в год. В целом, мы оцениваем потребность российского рынка в катодных активных материалах в 10 000 т к 2030 году, в то время как спрос на мировом рынке составит миллионы тонн», — рассказал о дальнейших планах вице-президент «Норникеля» по инновациям Виталий Бусько.

Сейчас во всем мире ведутся лабораторные исследования разных компонентов аккумулятор и строятся производства. Вступление отечественных производителей в эту гонку технологий — важный шаг. Кто знает, может именно в той шумной «лаборатории алхимика» найдется первый «вечный» катодный материал.