Артем Абакумов, профессор Сколтеха: санкции — возможность занять конкурентную нишу

Артем Абакумов — профессор и директор Центра энергетических технологий Сколковского института науки и технологий. В Центре энергетических технологий Сколтеха созданы современные высокоемкие катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов, технологии получения ванадийсодержащих катодных материалов и углеродных анодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов и технологии их сборки. Организовано опытное производство катодных материалов на базе стартапа "Рустор" при поддержке Сколтеха и фонда "Сколково".  

Об этом и многом другом читайте в интерью Артема Абакумова в проекте ТАСС "Беседы с Иваном Сурвилло".

— Давайте начнем с настоящего, с сейчас. 

— Сейчас точка высокой турбулентности: и в отношении перспектив развития рынков для аккумуляторов, и в отношении стоимости исходного сырья, и с точки зрения необходимой кооперации для организации производства.  

У всех на слуху литий-ионные аккумуляторы как источник энергии для портативной электроники, электроинструмента, электромобилей, роботов. Например, здесь, по территории Сколково, ездят роботы-курьеры, и наверняка они питаются от литий-ионного аккумулятора. С обывательской точки зрения аккумулятор — достаточно простое изделие: батарейка и батарейка. На самом деле аккумуляторная ячейка состоит из множества частей: корпуса, катодной и анодной лент, сепаратора, токоподводов, электролита, в котором растворена соль лития... Большинство из этих составных частей в России либо не производятся вообще, либо производятся в малых объемах и предыдущего поколения. 

Цены на сырье лития за последние несколько месяцев выросли в 5–6 раз. Такой рост может быть связан с мировыми планами по развитию электротранспорта и постройки в Азии, Европе и США фабрик по производству литий-ионных аккумуляторов с общей энергоемкостью в тераватт-часы в год. Это очень много и требует сотни тысяч тонн литиевого сырья, что существенно подняло цену на литиевые материалы, например на карбонат лития. В ретроспективе последних десяти лет цена на литий очень колеблется. 

Также с начала 2022 года существенно выросла цена на никель, который является основным компонентом современных катодных материалов. Сложно выпускать продукцию, цена исходных материалов для которой меняется в разы в течение небольшого промежутка времени. 

В отношении перспективных рынков для аккумуляторов также есть высокая неопределенность. Нарушенные поставки энергоносителей, разорванные цепочки коопераций — все это ставит под вопрос амбициозные планы по развитию индустрии электротранспорта, которая рассматривается как основной потребитель аккумуляторов.

— Как на вашу работу влияет происходящее в мире?

— Если говорить о дальнейшем развитии технологий и новых продуктов, то очень влияет стоимость и доступность реагентов. Для нас это стало сейчас существенным фактором, хотя у нас нет многотоннажного производства, мы все-таки университет, но тем не менее. За моей спиной 100-литровый реактор для синтеза катодных материалов, и один эксперимент на таком реакторе требует несколько килограммов сульфата никеля, марганца и кобальта, а на следующей стадии — килограммы гидроксида лития. 

Сейчас один эксперимент становится очень дорогим, а если отрабатывать технологию, то нам нужно проводить сотню экспериментов в год на таком реакторе. Естественно, что мы начинаем это ощущать. Также увеличились сроки поставки оборудования, часть запланированных поставок была сорвана по вине зарубежных поставщиков, мы встречаемся с отказами в сервисе и ремонте. Пока это не создает непреодолимых препятствий, но объективно увеличивает сроки и стоимость проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Знаете, говорят, что санкции, с которыми мы сейчас вынуждены считаться, — это не только ограничения, но и окно возможностей.

— Что виднеется?

— Мы развивали исследования, имея в виду будущие перспективы по созданию в нашей стране индустрии и рынков современных металл-ионных аккумуляторов. Например, мы рассчитывали на принятую правительством летом 2021 года концепцию по развитию электротранспорта. К 2030 году, если правильно помню, более 200 тыс. электромобилей должно выпускаться в Российской Федерации. Это потребует большого объема металл-ионных аккумуляторов и должно стать толчком к развитию всей цепочки сопутствующих технологических переделов и производств.

Госкорпорация "Росатом" создала интегратор в области систем хранения энергии РЭНЕРА, который приобрел 49% акций южнокорейского производителя литий-ионных аккумуляторных ячеек Enertech. Планируется строить завод в Калининградской области на месте бывшей Балтийской АЭС, анонсированы соглашения между Росатомом и администрацией Калининградской области. РЭНЕРА собирается производить к 2026 году до 3 ГВт⋅ч аккумуляторов, а в более отдаленной перспективе — до 12 ГВт⋅ч, но в России на сегодняшний день рынка на это количество аккумуляторов нет. Продажа аккумуляторов на внешний рынок могла бы быть окном для диверсификации поставок. Но на китайский рынок продавать их бессмысленно, потому что Китай — мировой лидер в производстве аккумуляторов. С другими зарубежными рынками сейчас существуют определенные проблемы. Это означает, что производство электротранспорта и производство аккумуляторов в РФ должны развиваться в тесной связке друг с другом.

Мы ждем, когда будут приняты конкретные решения и объявлены программы действий, и уверены, что наши разработки займут свое место в технологической цепи. Сердцем любого литий-ионного аккумулятора являются катодные материалы — это наша специальность, мы умеем их делать на достойном уровне. Оборудование, которое вы здесь видите, — для того, чтобы его производить, это основа масштабируемой технологии производства. 

Но этого мало. Речь должна идти о создании комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла. Это большой кооперативный проект, направленный на разработку технологии производства всех необходимых компонентов для сборки литий-ионных аккумуляторных ячеек на основе отечественных материалов. Можем даже использовать слово "импортозамещение". В результате такой инициативы наша способность к импортозамещению должна резко возрасти. Даже если иметь, скажем, 80% российских технологий для производства литий-ионных аккумуляторов, без оставшихся 20% эти технологии все равно будут бесполезными. Если нам негде производить сепаратор или электролит, мы не соберем литий-ионный аккумулятор даже с лучшими электродными материалами. Даже если мы в других технологиях впереди планеты всей. Это комплексный процесс, требующий высокого уровня кооперации, которого можно достичь сейчас только при государственном подходе. 

— Нужен условный проектный офис?

— Честно говоря, одно из министерств или институтов развития могли бы взять на себя роль такого офиса. Плюс необходимо на горизонтальном уровне отладить взаимодействие между организациями: научными, проектными и бизнес-структурами, так что работа должна вестись на всех уровнях. И на уровне научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, и на уровне создания пилотных производств, и на уровне интегрирования всего, что есть в инновационной области, — стартапов, например, которые в этой области работают. 

Понятно, что пилотное производство нет смысла создавать без дальнейшего шага в крупномасштабное производство, то есть должны прослеживаться интересы и крупных компаний, без которых это вряд ли возможно. В литий-ионных аккумуляторах, как, наверное, во многих отраслях промышленного производства, очень многое решает масштаб. 

Есть многократно сделанные оценки, говорящие о том, что производство объемом меньше 1 ГВт⋅ч в год просто нерентабельно. Рентабельность начинается с объемов от 3 до 5 ГВт⋅ч в год. Если мы хотим коммерчески успешного производства, то нам еще нужно под эти объемы создать соответствующий рынок. 

— А за сколько все можно создать по времени?

— РЭНЕРА к 2026 году обещала выйти на годовой объем производства до 3 ГВт⋅ч. Учитывая, что это подразделение Росатома, который обладает колоссальными и научно-техническими, и финансовыми, и организационными ресурсами, — быстрее вряд ли кто-то сделает.

В лаборатории масштабирования производства катодных материалов: о начале производственного процесса, ценах на литий и ванадиево-проточную батарею

— Давайте тогда от отрасли перейдем конкретно к вам. 

— Сейчас мы с вами находимся в Центре энергетических технологий Сколтеха, в лаборатории масштабирования производства катодных материалов. Здесь реализована технология производства материалов на основе сложных оксидов никеля, марганца, кобальта и лития. Такие материалы с высоким содержанием никеля сейчас являются основой для производства аккумуляторов для электромобилей. 

Вот, например, материал. В нем на шесть долей никеля приходится по две доли марганца и кобальта. Мы уже говорили о росте цен на никель и литий, а с их стоимостью дорожает катодный материал, с материалом дорожает аккумулятор, то есть увеличивается стоимость за киловатт-час запасаемой энергии. 

Мы ищем альтернативы литий-ионной технологии. Можно делать аккумуляторы без никеля, например с ванадием, и без лития, например с натрием. Он стоит намного дешевле, и разница в цене между литием и натрием будет всегда, потому что натрия в земной коре в тысячу раз больше, чем лития. 

Каждый из нас обладает существенным количеством натрия. Мы берем пачку поваренной соли — это хлорид натрия, мы берем пищевую соду — это гидрокарбонат натрия. А вот лития в доме у каждого — наверное, разве что в аккумуляторах. 

Мы разрабатываем технологии натрий-ионных аккумуляторов: от производства электроактивных материалов на основе ванадия, которые запасают энергию в аккумуляторе, до производства самих аккумуляторных ячеек или их сборок. В России есть ванадий, только "ЕВРАЗ Ванадий Тула" производит до 7,5 тыс. т пятиокиси ванадия в год. Мы уже сейчас готовы предложить аккумуляторы, которые будут по своим ценовым характеристикам гораздо привлекательнее литий-ионных.

 — А как вообще начинается процесс производства аккумуляторов?

— Производство аккумуляторов начинается с сырья. Видите, у нас лежат запасы сульфата никеля, гидроксида лития? Их мы предусмотрительно сделали в начале марта, чтобы обеспечить производство электродных материалов в наших реакторах. У нас три вида реакторов: объемом 5 л, 20 л и 100 л. В них мы получаем прекурсор, содержащий никель, марганец и кобальт, который потом вводим в реакцию с источником лития в высокотемпературной печи, и получается катодный материал. Затем из него уже готовятся катодные ленты и собираются ячейки. 

Опять же, к вопросу о том, чем мы занимаемся: переход от пятилитрового к 20-литровому, от 20-литрового к 100-литровому реактору занимает от полугода до года. Невозможно взять и все параметры процессов из пятилитрового реактора автоматически масштабировать и перенести на 100-литровый. Катодный материал, хотя и выглядит просто как черный порошок, на самом деле характеризуется огромным набором параметров. Их все необходимо строго соблюдать, и переход от одного объема производства к другому требует продолжительной и трудоемкой оптимизации. Собственно, поэтому эта лаборатория так и называется — лаборатория масштабирования технологий производства катодных материалов.

В конце апреля в нашем новом кампусе уже будет все организовано по-другому. Там будет технологический участок площадью около 400 кв. м, уже закуплены другие реакторы, будут собираться проточные системы, рассчитанные на существенно большие объемы производства. Дальше вопрос к темпам развития. Можно все делать на собственные средства и собственными силами, но процесс будет по времени растянут. А можно принять решение об ускоренном развитии, но это потребует средств. 

Простой расчет: количество экспериментов определяется количеством людей, которые их могут производить. Людям нужно платить зарплату. Это стоит денег, как и покупка реактивов. У нас сейчас прописаны техническое задание, календарный план и составлена смета проекта для движения от сегодняшнего объема производства до объемов в 5 тыс. т катодного материала в год. То есть конечным результатом этого проекта будет создание пилотного производства на 100 т в год и формулировка технического задания на проектирование производства в 5 тыс. т.

Мы готовы завтра взяться за этот проект и его выполнить, но его стоимость ещё по ценам января — февраля — порядка 750 млн руб. Мы получаем поддержку от Российского научного фонда. Это несколько миллионов рублей в год, и на эти деньги мы можем разработать даже не основу производства, а фундаментальные научные основы технологии. Например, с теми же натрий-ионными батареями мы так начинали работать. Но, чтобы решить задачи по организации производства, требуется от сотни миллионов до миллиарда рублей на прохождение всех этапов.

— Так, а спрос-то будет?

— Я очень не люблю отвечать на такие вопросы, потому что я все-таки ученый, а не коммерсант. 

Я могу нарисовать схему технико-экономического обоснования, могу расписать стоимость сырья, сколько потребуется электроэнергии, сколько потребуется средств на зарплату, сколько потребуется помещений... Коммерческую составляющую, как из этого всего извлекать прибыль, должен делать не я. 

Компании знают, как выводить на рынки продукты, как продавать продукты, компании видят рынок лучше нас. Они в этом более компетентны. А мы компетентны в области развития научной базы и технологий.

— Давайте перейдем в другую лабораторию, а по дороге расскажите, что это за монстр у вас? 

— Это климатическая камера, в которой находится проточная ванадиевая батарея. Все привыкли, что батарейка — это что-то достаточно миниатюрное. А здесь батарейка — это большой шкаф.

Ванадиевая проточная батарея — устройство для стационарного хранения энергии. В ней энергия хранится не в твердых веществах — электродных материалах, а в растворах, которые находятся в раздельных танках: в одном — раствор окислителя, в другом — восстановителя. Они реагируют между собой в электрохимической ячейке, где производится электричество. Можно также и наоборот: подавать на ячейку напряжение и электрохимически модифицировать растворы, сохраняя таким образом энергию.

— Где она может использоваться?

— Там, где необходимо резервное хранилище для возобновляемых источников энергии. Например, работает ветрогенератор, а столько энергии, сколько он вырабатывает, в данный конкретный момент потреблять не надо. В проточной батарее можно запасать излишек энергии и, когда ветра нет, выдавать обратно.

Понятно, что такое устройство не для автомобиля, самолета или телефона.

В исследовательской лаборатории: о синтезе полуграмма материала, студентах, выгорании и необходимости однородного состава на атомном уровне

— Куда мы пришли?

— Мы в лаборатории, где производим более фундаментальные научные работы. Здесь не синтезируются материалы в количестве сотен килограммов или тонн, здесь синтезируют по полграмма, и здесь делаются те материалы, которые могут быть сейчас вообще неизвестны науке. Мы их патентуем и публикуем. 

Также мы здесь исследуем известные материалы, проводим их химическую модификацию, чтобы улучшить их функциональные свойства и в конечном итоге увеличить энергоемкость и циклический ресурс, то есть количество циклов заряда-разряда без существенной деградации свойств.

В основном у нас тут работают студенты и аспиранты Сколтеха, а также студенты совместной бакалаврской программы с РХТУ им. Д.И. Менделеева. Они здесь делают свою научную работу.

Вообще в Сколтехе мы постарались сделать так, чтобы у нас был ведущий центр Российской Федерации по разработке технологий металл-ионных аккумуляторов. Получилось создать самую современную материальную базу, оснащенную всем необходимым оборудованием, реактивами, комплектующими. На многое оборудование мы заработали сами, выполняя индустриальные контракты и проекты.

В основном кампусе мы построили центр просвечивающей электронной микроскопии, если не лучший в стране, то, по крайней мере, один из лучших. Просвечивающая электронная микроскопия — метод исследования, который позволяет получать изображения кристаллической структуры с атомным разрешением. Тема, казалось бы, очень далекая от аккумуляторов, но на самом деле без такого прибора мы бы никогда не смогли понимать, что мы здесь реально делаем. Например, в катодном материале никель, марганец и кобальт должны быть смешаны так, чтобы их распределение было однородно вплоть до атомного уровня. Мы в электронном микроскопе можем посмотреть, насколько у нас однородный состав, есть ли у нас дефекты кристаллической структуры.

Тем не менее нам надо постоянно развиваться. Мы сейчас закупаем оборудование, чтобы расширить возможности производственной линии, закупаем оборудование для химических процессов… Как Льюис Кэрролл писал, чтобы стоять на месте, нужно бежать со всех ног, а для того, чтобы куда-то попасть, надо бежать вдвое быстрее. Это совершенно правильно и для нашей сферы науки и технологий. У нас в области хранения энергии нельзя медленно запрягать и быстро ездить. Надо и запрягать быстро, и ездить быстро. Нельзя позволять себе отставать ни в коем случае.

— Люди не выгорают у вас с таким темпом?

— Знаете, как раньше говорили: «Нам хлеба не надо, работу давай». Здесь же студенты 20 с лишним лет. Ну какое выгорание? Жизнь только начинается. Самое время для молодых людей такого возраста проводить в лаборатории все свое свободное время. Это же то время, когда закладывается их карьера.

Мои молодые коллеги находятся в очень высококонкурентной среде. Они конкурируют не только с теми людьми, кто создает и делает такую же работу. Они между собой конкурируют за будущий рынок труда, за то, чтобы получить более высокие позиции в будущем. Создать себе резюме научное: публикации, патенты, разработки, ноу-хау, умения. 

Моя задача как руководителя — обеспечить коллег тем, чтобы были заказы на их работу, чтобы они чувствовали себя востребованными, чтобы у них были интересные темы для технологического и научного развития и они ни в чем не знали себе отказа. Знаете, как раньше принимали работника на работу? Его сажали за большой стол, ставили перед ним большую миску еды и смотрели, как работник кушает. Если работник ел плохо, его на работу не брали. А если он кушал хорошо, то его нанимали. Так же и тут. 

Если вы у меня работаете год и не приходите ко мне, не говорите: Артем Михайлович, мне нужно купить на 100 тыс. рублей реактивов, или мне нужно новое оборудование — вы вообще хоть что-то делаете?

Пойдемте в третью лабораторию, не будем студентам мешать работать.

— Хочется байку, пока идем.

— Байку? Я, если честно, всегда осторожно отношусь к людям, которые проявляют излишнюю степень уверенности. Когда, например, мы покупаем реактор, который должен работать под высоким давлением, я настоятельно прошу человека прочитать инструкцию. Мне в ответ говорят: я 300 синтезов поставил на таком реакторе, что ты мне тут требуешь… 

На следующий день прихожу — и все в лаборатории вверх дном, реактор валяется на полу перевернутый. На немой вопрос, что произошло, мне отвечают: "Я уже после прочитал в инструкции, что степень заполнения реактора не должна превышать 60%, а я залил 90%". Так ты же сказал, что ты 300 синтезов поставил!

В общем, истории для баек случаются, но мы их стараемся избегать. 

В нашей байке все могло закончиться очень печально, потому что реактор с раствором с высоким содержанием щелочи при температуре порядка 150 °C, и, если такой раствор попадает в глаза, последствия будут необратимы.

На технологической линии по сборке литий-ионных аккумуляторов: о финале процесса производства, спектре испытаний и танке в лаборатории 

— Шумно!

— Мы на технологической линии по сборке литий-ионных аккумуляторов. Производство ячейки начинается с создания электродной смеси: порошок электродного материала смешивается со связующим и электропроводящей добавкой в специальных миксерах и превращается в пасту, которая поступает на намазочную машину и наносится на электродную ленту. Затем лента сушится, прокатывается на валковом прессе, и из нее вырубаются электроды разных размеров. 

Из электродов — катода, анода — и сепаратора, который находится между ними, собирается электродная стопка. Эта стопка кладется в корпус. Корпус запаивается, заливается электролитом и поступает на установку формовки, где проходит первые циклы заряда-разряда, чтобы электрохимическая система пришла в себя и могла стабильно работать. Очень важно формовку произвести в контролируемых условиях при определенных параметрах, потому что от этого будет зависеть долговечность работы аккумулятора. Еще есть ряд мелких технологических операций: окончательная запайка, формовка краев, после чего ячейки уже можно использовать. Дальше вам лучше расскажет наш ведущий инженер Владислав Горшков.

Владислав: Предварительно подготовленные аккумуляторы, которые прошли первые циклы медленного заряда-разряда, мы еще раз отправляем на контроль на зарядно-разрядные стенды, которые позволяют производить необходимые для нас эксперименты в зависимости от того, какие характеристики нам нужно узнать: долговечность, скоростные характеристики или емкостные. Один из стендов находится в шкафу с аварийным пожаротушением, если что-то пойдет не так. 

— Шло?

Владислав: Нет, у нас же высокое качество производства. Неконтролируемого воспламенения не было.

Проверка качества — последний процесс. Вот здесь на аккумуляторе оставлена такая карточка. Это так называемый газовый карман. Он нужен для того, чтобы в него попадали газы, которые могут выделяться в процессе подготовки аккумулятора к работе. В конце испытаний газовый карман отрезается, шов запаивается — и вот получается финальный, готовый аккумулятор. Это аналог аккумулятора, что стоит у вас в телефоне, даже по емкости, просто немного другого размера. Красивые готовые аккумуляторы потом передаются непосредственно заказчику.

— Влад, что вам больше всего нравится в этом?

Владислав: Мне нравится, что мы можем реализовать все: от электродных порошков до готового устройства, провести очень большой комплекс работ. Мне его проводить интересно. А поскольку центр разрабатывает огромное количество материалов и с каждым нужно провести спектр испытаний... 

Например, приносят мне два материала, близкие по химическому составу, но с разным содержанием никеля. Нанести электродную смесь на токонесущую ленту — для каждого это надо делать по-разному. Аккумуляторы для высокоемкостных, высокомощных применений — там тоже свои секреты...

Это как автомобиль. Автомобили же одинаковые: корпус, колесо, крыша, окна… Но внутри все разное: двигатель, трансмиссия... Так же и здесь. Ячейки все выглядят одинаково. Вся новизна внутри. Нет такого, что мы берем какой-то новый материал и заранее полностью знаем, как пойдет с ним технологический процесс. 

Если с литием все-таки опыт большой в мире накоплен, то с натрием такого опыта практически нет. Каждый раз моя работа — открытие чего-то нового.

Кстати, у нас есть танк-демонстратор.

— Как он появился?

Артем Абакумов: Нам надо было завершить проект и продемонстрировать работу наших натрий-ионных аккумуляторов. Можно было светодиодики зажечь, но я говорю: ребята, давайте купим танк. Коллеги загорелись, съездили, купили. Мы танк стали здесь испытывать, так же на камеру снимали, чтобы показать потом на защите проекта. На улицу вывезли при 15 градусах мороза, он ездил. Потом сломался. Батарейки-то выдержали, а гусеницы пластмассовые на морозе треснули и развалились. Пришлось еще потратиться, чтобы металлические гусеницы купить. Короче, дорогая модель получилась. Но зато видно, как натрий-ионная технология работает. Этим батарейкам уже больше года, их в декабре 2020-го на этот танк поставили. Перезаряжали, конечно, но они не деградируют, работают. Хотя мощность танка на наш размер батарейки — очень высокая. Скажем так, это соответствует скорости разряда батареи телефона за 20 минут — такой ток потребляет эта игрушка. Но хочу заметить, что штатное время работы батареи по сравнению с литиевой не уменьшилось — осталось полчаса.

— Артем, а вы всем этим занимаетесь ради чего?

— Владислав правильно сказал: самое большое удовольствие — когда делаешь то, что никому еще не известно или что другие делать пока не умеют. Когда у тебя есть огромное количество молодых людей, которые с энтузиазмом работают. Когда понимаешь, что создал компетенции, которых в стране больше нет нигде.