В научно-техническом центре «Росатом Химия» (входит в Топливный дивизион «Росатома») была разработана экспериментальная методика синтеза высоковольтного кобальтата лития (LiCoO2, LCO). Это вещество является основой для создания мощных литий-ионных аккумуляторов.
Ирина Медведева
Источник иллюстрации: Департамент коммуникаций АО «ТВЭЛ»
Новый материал для катодов имеет главные достоинства традиционного кобальтата лития: устойчивость к многократным циклам заряда-разряда, высокую мощность, значительную насыпную плотность и хорошие показатели диффузии ионов лития.
Главное различие с существующими аналогами заключается в изменённой кристаллической структуре и уточнённом химическом составе. Благодаря этому удалось поднять рабочее напряжение аккумулятора, что привело к росту энергоёмкости элементов питания более чем на 15 процентов.
Данный материал предназначается для выпуска высокомощных литий-ионных аккумуляторов, используемых в портативной электронике, электрическом инструменте и устройствах аэрокосмической отрасли.
В этих сферах особенно важны компактность, высокая производительность и длительная автономная работа. Пользователи при применении подобных батарей получают увеличение срока службы без потери мощности или ёмкости. Батарея функционирует более долгий срок без подзарядки, при высокой производительности даже под нагрузкой.
Идет тестирование инновации
В настоящее время потенциальные заказчики ведут проверку опытных партий модифицированного кобальтата лития в составе тестовых аккумуляторных ячеек.
Сейчас, когда тестовые партии находятся в руках потенциальных заказчиков, особенно важно пройти этап валидации без спешки, но с высокой тщательностью. Опытные ячейки должны подтвердить не только лабораторные показатели энергоёмкости и напряжения, но и реальное поведение материала при циклировании — выдержит ли он заявленные сотни циклов заряда-разряда в условиях высоких токов и перепадов температур. Обычно именно на этом этапе выявляются несоответствия между параметрами малого образца и промышленного продукта. Однако, судя по тому, что специалисты «Росатом Химии» изменили именно кристаллическую решетку и точный химический состав (а не просто добавили легирующие примеси), фундамент для стабильности заложен на квантовом уровне. Если испытания пройдут успешно, уже через год-полтора можно ожидать выхода на опытно-промышленное производство мощностью, достаточной для закрытия потребностей отечественного рынка бытовой электроники и инструмента.
Экономическое значение разработки
Экономический эффект от внедрения новой технологии будет ощутим как на уровне конечного потребителя, так и в масштабах целых отраслей.
Увеличение энергоёмкости на 15% означает, что смартфон средней ценовой категории сможет работать на 2–3 часа дольше при потоковом видео, а аккумулятор электродрели — выдерживать на 20–30 саморезов больше без потери крутящего момента.
Для аэрокосмической отрасли, где каждый грамм массы и каждый процент ёмкости критичны, такая прибавка позволяет либо снизить вес батарейного блока, либо увеличить время полёта беспилотной системы.
При этом сохраняется высокая мощностная отдача — ключевой параметр для инструмента и дронов, где требуются резкие пиковые нагрузки. Таким образом, один материал решает сразу несколько инженерных задач, упрощая компоновку устройств и сокращая издержки на проектирование.
Переход к новому уровню локализации критически важных технологий
Исполняющий обязанности генерального директора АО «Росатом Химия» Александр Селезнев подчеркнул, что сегодня специалисты Топливного дивизиона „Росатома“ стоят у истоков новой отрасли в российской промышленности производства материалов для батарейной химии. «Большая часть катодных материалов и электролитов для российских аккумуляторов ранее закупалась за рубежом. Наша задача наладить собственные производства, которые обеспечат отечественных изготовителей батарей и аккумуляторов российскими материалами», — заявил Александр Селезнев.
Разработка и выпуск новых катодных материалов является важным шагом для укрепления технологической независимости страны и закрывает критический пробел в создании полного цикла производства литиевой продукции в России от добычи сырья до утилизации отработанных батарей.
Создание собственного высоковольтного кобальтата лития знаменует собой не просто очередное улучшение в химии элементов питания, а переход к принципиально новому уровню локализации критически важных технологий. До недавнего времени российские производители аккумуляторов находились в жесткой зависимости от импортных поставок катодных материалов — самого дорогого и технологически сложного компонента батареи.
Сейчас, когда цепочки поставок из дружественных стран остаются нестабильными, а глобальный рынок литий-ионных ячеек перегрет, наличие собственной рецептуры и промышленной методики синтеза LCO становится фактором стратегической безопасности. Речь идет не только о замещении импорта, но и о возможности создавать продукты с уникальными характеристиками, подогнанными под специфику российской электроники, инструмента и оборонной техники, где требования к надежности и сроку службы зачастую превышают мировые стандарты.
Роль разработки в глобальной стратегии «Росатома» и ее перспективы
Принципиально важно, что работа над катодом ведется не изолированно, а в рамках масштабной программы «Росатома» по созданию полного цикла литиевой продукции. Параллельно с синтезом LCO решаются вопросы добычи литиевого сырья на отечественных месторождениях (таких как Колмозёрское в Мурманской области), переработки его в гидроксид и карбонат лития, а также разработки электролитов и сепараторов.
Без катодов с контролируемой кристаллической структурой все эти усилия не имели бы завершающего звена. Появление собственного высоковольтного кобальтата лития означает, что замкнутая цепочка «сырьё — компоненты — готовый аккумулятор — утилизация» начинает работать в России в полном объёме. Это снижает риски для производителей электроники и электротранспорта, делает ценообразование предсказуемым и страхует от внезапных санкционных ударов по логистическим маршрутам.
В долгосрочной перспективе эта разработка станет фундаментом для создания новых поколений аккумуляторов с повышенным напряжением. Методика синтеза высоковольтного кобальтата лития открывает дорогу к пониманию того, как управлять стабильностью катодных материалов при напряжениях выше 4,5 В — пороге, который сегодня большинство коммерческих катодов преодолевают с большим трудом, теряя ёмкость.
Успех «Росатом Химии» в этом направлении может дать импульс для развития в России собственной школы аккумуляторной химии, где инновации идут не вслед за мировыми лидерами, а опережают их. Строчка из заявления Александра Селезнева о «начале новой отрасли» — не преувеличение: когда страна перестаёт быть сырьевым придатком и начинает производить высокотехнологичные компоненты для батарей, меняется вся структура промышленности, и именно такие проекты становятся точкой роста для целой экосистемы.
Ранее журнал «Химагрегаты» рассказывал об еще одной разработке сотрудников «Росатома»: в Горнорудном дивизионе создали новую установку для изготовления титановой губки. Технологические новшества сокращают продолжительность производственного цикла и повышают характеристики металла.
Справка:
АО «Росатом Химия» — дочернее предприятие АО «ТВЭЛ», которое консолидирует ряд активов Топливного дивизиона «Росатома» по бизнес-направлению «Специальная химия». https://chemistry.tvel.ru
Топливный дивизион госкорпорации «Росатом» (управляющая компания – АО «ТВЭЛ») включает предприятия по фабрикации ядерного топлива, конверсии и обогащению урана, производству газовых центрифуг, а также научно-исследовательские и конструкторские организации.
Являясь единственным поставщиком ядерного топлива для российских АЭС, ТВЭЛ обеспечивает топливом в общей сложности более 70 энергетических реакторов в 15 государствах, исследовательские реакторы в девяти странах мира, а также транспортные реакторы российского атомного флота.
Каждый шестой энергетический реактор в мире работает на топливе ТВЭЛ. Топливный дивизион «Росатома» является крупнейшим в мире производителем обогащенного урана, а также лидером глобального рынка стабильных изотопов. В дивизионе активно развиваются новые бизнесы в области химии, металлургии, технологий накопления энергии, 3D-печати, цифровых продуктов, а также вывода из эксплуатации ядерных объектов. В контуре Топливной компании ТВЭЛ созданы отраслевые интеграторы по аддитивным технологиям и системам накопления электроэнергии. http://www.tvel.ru
Инновационные технологии «Росатома» основаны на передовых достижениях российской атомной науки и в полной мере отвечают актуальной ESG-повестке.