Батарейки, электромобили, рециклинг и сотрудничество с Китаем: как Россия накапливает компетенции в сфере аккумуляторов

Батарейный технологический центр в Санкт-Петербурге — самый современный подобный центр в России на сегодняшний день. Он был открыт около года назад. За несколько месяцев ученым центра удалось достигнуть впечатляющих результатов в исследовании технологии производства никельсодержащих катодных материалов.

Центр начинал исследование технологии с 10 г катодного активного материала за синтез. Сейчас установленная в лаборатории технологическая линия позволяет получать около 10 кг за синтез, который длится от 40 до 60 часов. Это еще не промышленные масштабы, но уже точно не лабораторные.

«Технологическая цепочка по получению катодных активных материалов очень длинная. Она начинается с сырья и заканчивается получением финального продукта, который состоит из нескольких компонентов. Для нас синергетично было заняться катодными активными материалами, потому что в них содержится никель», — объясняет вице-президент по инновациям «Норникеля» Виталий Бусько.

Именно в Санкт-Петербурге находится большое научно-исследовательское сообщество в области батарейных материалов, а также необходимые научные ресурсы и инфраструктура для развития этого направления. В лаборатории площадью около 500 м² есть все необходимое для синтеза катодных активных материалов, а также для их тестирования.

«Мы можем с уверенностью сказать, что на лабораторном уровне технология уже получена. По всем характеристикам — насыпной плотности, емкости и другим, — наши катодные активные материалы и их предшественники сравнимы с международными разработками, материалами китайских, корейских, европейских институтов. Они соответствуют всем современным требованиям», — отмечает Виталий Бусько.

Результаты, полученные Батарейным технологическим центром, — полностью самостоятельное достижение. Тем не менее, конечно, ученые центра активно следят за международными разработками и сотрудничают с китайскими научными центрами и экспертами.

Китай — лидер в области разработки материалов для аккумуляторов. Поэтому в лаборатории Санкт-Петербурга тестируются закупленные в Китае образцы катодного активного материала для того чтобы идти в ногу с мировыми трендами.

Ученые Батарейного технологического центра проводят с китайскими коллегами совместные исследования. Кроме того, в лаборатории установлена технологическая линия синтеза от китайских производителей. В такой быстро развивающейся области продвижению вперед помогает взаимодействие с лидерами рынка.

Следующий этап развития технологии производства катодных активных материалов — пилотная установка. Пилотная установка должна будет производить уже от десятков до сотен килограммов материала в год. На ней можно будет протестировать различные режимы работы, отточить процесс масштабирования. Следом идет строительство завода.

На проектирование, получение разрешений, принятие инвестиционных решений, строительство и пуско-наладку в среднем должно уйти около четырех лет. Поэтому в случае принятия решения о реализации проекта строительства производства, завод катодных активных материалов появится не раньше 2030 года.

«В целом мы оцениваем потребность российского рынка в катодных активных материалах в размере около 10 000 т к 2030 году, в то время как спрос на мировом рынке составит миллионы тонн. Батарейный технологический центр — путь к наработке экспертизы и созданию собственных технологий в этой области», — объясняет вице-президент по инновациям «Норникеля» Виталий Бусько.

Завод катодных активных материалов — шаг на пути к созданию завода аккумуляторов. Это уже гораздо более масштабная задача. Однако производство аккумуляторов пока не планируется. Сейчас идет обсуждение различных вариантов реализации проектов в области катодных материалов.

«Я работала какое-то время в изучении дизайна полной литий-ионной системы, видела, что означает такое масштабирование. Там каждый нюанс играет роль, процент брака сперва возможен высокий. Но я не вижу непреодолимых препятствий для реализации таких проектов у нас в России», — рассказывает руководитель научных проектов развития батарейных технологий Анна Колмычевская.

В Батарейном технологическом центре оборудована полноценная лаборатория для синтеза и тестирования образцов катодного активного материала. Ученые собирают «коины» и «паучи». Аккумуляторные ячейки в форме «коинов» вам несомненно встречались в часах или напольных весах, а вот аккумулятор-«пауч» скорее «обитает» в вашем смартфоне, планшете или ноутбуке.

Катодный активный материал, который разрабатывается в центре, может быть использован как в аккумуляторах смартфонов и дрелей, так и в больших аккумуляторных блоках в электромобилях. От направления применения зависят требования к характеристикам, которые необходимо учитывать при дизайне и тестировании литий-ионной ячейки.

Собирают такие аккумуляторные ячейки в «сухой комнате», специально оборудованном помещении с чрезвычайно низким уровнем влажности. На данный момент фокус лаборатории приходится на катодные активные материалы NCM 811, то есть в их составе 80% никеля, 10% кобальта и 10% марганца. Начиная с такой высокой доли никеля, материал становится чувствителен к влаге, поэтому собирать образцы необходимо в сухой комнате.

«Мировой рынок начинался с соотношения 111, потом было 622, а сейчас 811, потому что все мы стремимся к большей энергоемкости а этот параметр зависит от доли никеля. Соотношение 811 — тот барьер, который еще допускает взаимодействие с влагой, но чем больше никеля, тем выше нестабильность. Эти нюансы необходимо учитывать и при разработке технологии, и при производстве. Наша сухая комната позволяет нам расширять периметр исследований и тестировать, например, соотношение 90505», — рассказывает руководитель научных проектов развития батарейных технологий Анна Колмычевская.

Переход на 9 — 0,5 — 0,5 — эволюционный шаг. Помимо увеличения доли никеля разработчики работают со всеми составляющими аккумулятора, стремясь сделать его легче и компактнее. Например, за счет корпуса.

При разработке батарей для электромобилей иногда идут обратным путем: в готовую спроектированную архитектуру автомобиля внедряют аккумулятор и рассчитывают, какие материалы помогут достичь целевых параметров в заданных архитектурой рамках. Какой материал (622 или 811) поможет достичь энергоемкости и ресурса в заданном объеме аккумулятора. В расчетах учитывается взаимодействие различных материалов, дизайн корпуса и другие многочисленные факторы.

В Батарейном технологическом центре не только пробуют разные соотношения никеля, но и изучают причинно-следственные связи между различными технологическими условиями во время синтеза и характеристиками полученного материала, а также работают над улучшением и стабилизацией катодного активного материала с помощью добавок и покрытий.

Еще одно новое направление исследований — натрий-ионные аккумуляторы. Среди гипотетических преимуществ этой технологии—снижение стоимости аккумулятора и более эффективная работа при низкой температуре. Следовательно, спрос на натрий-ионные аккумуляторы в значительной части России может быть выше, чем на литий-ионные.

В натрий-ионных аккумуляторах тоже присутствует никель, и другие материалы, поэтому Батарейный технологический центр также рассматривает возможность развития в этом направлении на горизонте планирования от трех до пяти лет.

«Другое важное направление развития инноваций, помимо батарейных технологий, — использование искусственного интеллекта. Уже достаточно давно, и в производстве, и в управлении производственными процессами мы используем решения на базе искусственного интеллекта. В течение последнего года мы тестируем решение, основанное на языковых моделях. В перспективе такие ИИ-технологии будут использоваться и для разработки новых материалов. Часть наших решений с использованием ИИ не имеют аналогов в мире. Мы уже наработали в этой области уникальные компетенции. Цифровизация процессов, внедрение моделей с использованием искусственного интеллекта и другие решения позволяют компании находится на передовых позициях в инновациях», — заключает вице-президент по инновациям «Норникеля» Виталий Бусько.

Для нас важно создание полной технологической цепочки от производства сульфата никеля до вторичной переработки катодных активных материалов для того, чтобы процесс производства батарей был максимально зеленым. Сейчас в процессе рециклинга самое сложное — обеспечить нужный уровень извлечения металлов. В Европе на законодательном уровне установлено значение 95%. Это серьезный вызов. Мы такую технологию разрабатываем, уже есть первые результаты, и к моменту, когда мы будем заниматься строительством большого производства, такая технология должна быть готова», — делает оптимистичный прогноз Виталий Бусько.

Извлеченный из отработавших батарей и обработанный катодный материал называют черной массой. Батарейный технологический центр исследует возможности разработки технологии с учетом сложного состава материалов. Но чтобы черная масса появилась в больших объемах, необходимо сначала построить заводы по производству материалов и сборке аккумуляторов. Десять лет эти аккумуляторы будут служить в электромобиле, а потом еще некое количество лет в роли накопителей энергии, к примеру, от солнечных батарей. Лишь потом они пойдут на утилизацию.

«По сути, литий-ионные аккумуляторы — совершенно новая для страны отрасль. Технологическая революция, которую мы наблюдаем, требует развития целого ряда отраслей экономики и появления новых производственных секторов и технологических цепочек. Помимо катодных материалов, нужны анодные материалы, промышленная сборка аккумуляторов, система сбора и утилизации батарей. Мы активные участники этой технологической революции», — подводит итог Виталий Бусько.