50 оттенков лития
Натрий, магний, кислород — какой элемент поможет смартфонам следующей декады неделями работать без подзарядки? В Сколтехе считают, что в энергетической гонке победит литий — опытный боец, потенциал которого далеко не раскрыт
Главное здание Сколковского института науки и технологий похоже на огромную шайбу, пронизанную коридорами, открытыми офисными пространствами и вместительными холлами. Обилие света помогает сконцентрироваться на непростых академических выкладках. Но если в теории «плаваешь», всегда можно спуститься этажом ниже и увидеть передовую науку своими глазами.
Руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха Артем Абакумов открывает дверь Лаборатории катодных материалов и предупреждает, что здесь лучше без спроса ничего не трогать и не нюхать, особенно если это открытая склянка с любопытным порошком.
Хитрые прекурсоры
Открытых склянок здесь, впрочем, не наблюдается. Вместо них — оборудование промышленного вида, с помощью которого реализован полный цикл производства катодных материалов для литийионных* аккумуляторов (разумеется, в опытных масштабах). По левую руку от входа расположены реакторы идеального смешения — блестящие цилиндры из нержавейки. В этих устройствах при строго определенной температуре и скорости смешивания три раствора соединяются, чтобы в осадок выпали кристаллы нужного вещества. Более корректный термин — агломераты. Так называют не отдельные кристаллы, а их связанную массу.
* В 6-м издании «Русского орфографического словаря» под редакцией В. В. Лопатина и О. Е. Ивановой зафиксировано слитное написание слова «литийионный». Не беремся оспаривать словарь, хотя дефисное написание нам нравилось больше. — Прим. ред.
Получившийся прекурсор катодного материала необходимо высушить и обжечь. Для этого есть сушилки и печи. Попутно в катодный материал вводится литий. На каждой стадии опытного производства проводится анализ — например, в спектрометре, где пробу катодного материала испаряют, чтобы определить точный химический состав.
Готовый катодный материал после того, как он подтвердил свои свойства в лаборатории, можно опробовать в аккумуляторной ячейке. Для этого в Центре энергетических технологий есть полноценная производственная линия, способная выпускать готовые к эксплуатации аккумуляторные «шоколадки» распространенных типоразмеров. Из них, в свою очередь, можно собирать экспериментальные батареи и испытывать их в самых разных условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации.
Гибкость лабораторного производства позволяет оперативно вносить изменения в процесс на любой его стадии. Ученые экспериментируют на уровне не только инженерных решений, но и фундаментальных принципов строения вещества. Задача исследователей — перехитрить природу.
Артем Абакумов, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха: «Как повысить объемную плотность энергии в аккумуляторной ячейке без изменения ее размеров и архитектуры? Частицы катодного материала нужно упаковать плотнее, придав им форму сферы. В природе кристаллы растут в виде правильных полиэдров, например октаэдров, которые плохо пакуются, потому что их вершины упираются в грани друг друга. Чтобы заставить кристалл вырасти в форме сферы, нужно „обмануть“ природу. Грани характеризуются определенной энергией, и кристалл растет в том направлении, где энергия максимальна. Чтобы получить сферу, мы должны сделать разные грани примерно равными по энергии. А как это сделать? Мы знаем химические параметры, от которых зависит энергия граней. Знаем, на какие из них мы можем повлиять в технологическом процессе, а на какие — нет. Следовательно, можно рассчитать условия для роста кристаллов так, чтобы они получались примерно сферическими. Это один из уже запатентованных методов, которые мы разработали в лаборатории».