Эксперт № 40 (2013)

Эксперт Эксперт Журнал

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?