«Через десять лет мы будем жить в другом мире». Интервью с академиком о батарейках, которые меняют страну

Евгений Антипов — один из самых цитируемых российских химиков: в 90-х он открывал новые сверхпроводники, а сегодня занимается тем, что определяет будущее мировой энергетики. В Екатеринбург он приехал как лауреат Научной премии Сбера — прочитать студентам УрФУ лекцию о металл-ионных аккумуляторах и о том, почему именно они становятся основой транспортных и энергетических систем.

Лекция прошла в рамках осеннего лектория Научной премии Сбера — проекта, который знакомит студентов регионов с ведущими учеными страны. Премия учреждена в 2021 году и включает номинации от «Физического мира» до «AI в науке».

После выступления 66.RU поговорил с Евгением Антиповым — о батарейках, сверхпроводимости, будущем науки и о том, что нужно сделать, чтобы Россия не зависела от чужих технологий.

— Вы получили Научную премию Сбера — награду за вклад в российскую науку. А когда вы сами впервые почувствовали, что наука будет вашей жизнью?
— Еще в школе. У меня были очень сильные учителя — по химии, физике, математике. Плюс много литературы, хорошие книги… Так и появился интерес к науке. Поэтому я выбрал Московский университет и пошел на химфак.

Когда я заканчивал МГУ, заниматься наукой было престижно. Статус ученого был значительно выше, чем сейчас, и материальные условия — тоже. Большинство считало за счастье остаться работать в университете или пойти в академические институты. А потом началась перестройка, открылись возможности уехать, появились фирмы, которые платили намного больше, и зарплаты ученых резко упали.

— Сейчас что-то изменилось? Люди остаются в науке или все же уходят?
— Те, кому наука действительно интересна, остаются. Самые талантливые, способные, целеустремленные продолжают карьеру просто потому, что им это нравится. Это банальная фраза, но работа должна быть хобби — иначе в науке очень тяжело.

О премиях и наградах ты вообще не думаешь. Главное — что тебя увлекает сама задача. Ты видишь проблему и хочешь ее решить. И когда у тебя получается — это огромное удовольствие.
Я занимаюсь новыми неорганическими материалами, и каждый раз, когда удается открыть новое соединение с важными свойствами — будь то практическими или фундаментальными — это очень сильное эмоциональное чувство. Ради этого и занимаешься наукой.

— На лекции вы говорили о будущем литий-ионных аккумуляторов. А как это будущее выглядит у нас — в российской промышленности?
— Сейчас в России действительно очень быстро формируется новая отрасль — производство литий-ионных аккумуляторов. «Росатом» строит две гигафабрики: одну в Калининградской области, вторую — в Московской, в Красной Пахре. Их суммарная мощность — около 8 ГВт•ч, этого хватит примерно на 150 тысяч электромобилей уровня Tesla. Сбер вместе с компанией «ЭФКО» строят третью гигафабрику. В Татарстане недавно запустили пока еще мегафабрику, но и она планирует выйти на гигаваттный уровень.

Проблема в другом: такие предприятия будут потреблять десятки тысяч тонн химических материалов — электродных, связующих, электролитов — а в России мы их не производим. В ближайшей перспективе планируется импорт из дружественных стран. И это риск. Мы всегда будем в роли догоняющих, потому что нам не будут продавать самые современные материалы. Поэтому крайне важно сейчас научиться создавать собственные производства и разрабатывать свои передовые материалы.

— Их в России вообще не производят или просто не в нужных объемах?
— Мы, например, в Сколтехе сделали небольшое опытное производство катодных материалов. Сейчас это примерно десять тонн. В следующем году будет двадцать. А потребность страны — двадцать тысяч тонн. Вот и вся разница. Перевести малотоннажное производство в крупнотоннажное — это уже совсем другие масштабы. Нужны огромные инвестиции.

Фото: 66.RU

— Что вообще такого в литий-ионных аккумуляторах, почему на них пересел весь мир?
— Потому что они во много раз превосходят свинцово-кислотные аккумуляторы, которые стоят у всех в машинах. Главное — удельная энергия, то есть сколько энергии приходится на единицу массы или объема. У литий-ионных аккумуляторов это примерно 280 Вт•ч на килограмм, у свинцово-кислотных — около 40. Разница в семь раз.

Если вспомнить начало XX века, тогда транспорт во многом был электрическим — электромобили ездили именно на свинцово-кислотных аккумуляторах. Но они мало проезжали, быстро разряжались, имели высокий саморазряд и небольшой срок службы. Поэтому все и пересели на бензин.

А сейчас литий-ионные аккумуляторы позволяют проезжать 300–400 километров. В Китае уже делают электромобили на 700–1000 километров — это сопоставимо с бензиновым двигателем. Но в мегаполисах же такие расстояния не нужны. Достаточно 100 километров в день, а потом вы ставите машину на зарядку — и за ночь она полностью заряжается.

Есть и экономический фактор: если пересчитать стоимость пробега — бензин против электричества, — то электричество будет дешевле примерно в три раза.

— То есть рынок движется к полному отказу от бензиновых двигателей?
— По крайней мере, к этому идет. К 2030 году предполагается, что 50% выпускаемого транспорта будет на электротяге. На 2035 год прогнозы разные, но, например, мэр Москвы уже заявил: к этому времени весь муниципальный транспорт в городе будет электрическим.

Причины понятны. Во-первых, экология. В мегаполисах больше половины выбросов — это автомобили. Если проблему не решать, придется вкладываться в медицину, чтобы лечить последствия. Поэтому гораздо разумнее вложиться в электротранспорт, чтобы этих последствий просто не было.

Во-вторых, КПД. Даже если электричество производится из ископаемого топлива — газа, нефти, угля, — с учетом всех потерь электротранспорт все равно эффективнее. У бензинового двигателя КПД около 20%, то есть 80% энергии просто выбрасывается.

И третье — удобство и цена. В электромобиле батарея составляет 40–50% стоимости машины. А батареи дешевеют: еще 12 лет назад литий-ионный аккумулятор стоил около 900 долларов за киловатт-час, сейчас — около 150. Поэтому электромобили становятся сопоставимы по цене, а со временем могут быть и дешевле машин с двигателями внутреннего сгорания.

— Но ведь массовый переход на электротягу — это не только про цену и эффективность, но и про риски…
— Безопасность — это самая серьезная проблема. Частично она связана с высокой запасаемой энергией, но в основном — с эксплуатацией. Например, в России есть «локальная» проблема — климат. В Екатеринбурге зимой холодно. Люди катаются на электросамокатах при минусе, потом заносят их домой и ставят на зарядку. Если аккумулятор холодный, а зарядка идет ускоренная, литий не успевает проникнуть в графит и осаждается на аноде в виде металлического лития — дендритов, таких «иголочек». Эти иголочки прорастают, достигают катода, возникает внутреннее короткое замыкание, начинается разогрев.

Дальше катодные материалы, например литий-кобальт-оксид, уже при 170 °C начинают выделять кислород. Кислород реагирует с органическими компонентами — электролитом, полимерами. Возникает очень интенсивное горение. И вся эта энергия хочет высвободиться — аккумулятор и взрывается.

Я как раз занимаюсь материалами, которые делают аккумуляторы существенно безопаснее. Это такие системы, которые не выделяют кислород или при циклах заряда-разряда не дают осаждаться металлическому литию. Но тут возникает вопрос цены: чем выше безопасность, тем ниже удельная энергия. А потребителю, наоборот, хочется, чтобы она была высокой — чтобы реже заряжать аккумулятор.

— Если аккумуляторов становится все больше — в транспорте, в городе, в быту — возникает вопрос: а бизнес вообще готов работать с такими рисками и такими технологиями?
— Знаете, лет десять назад у меня был интересный разговор с директором ГАЗа Сорокиным. И мне запомнились его слова. Он сказал: «Если мы не будем к такому-то году выпускать хотя бы 30–40% электромобилей, мы будем банкротами. Мы будем неконкурентоспособны». Поэтому этот вектор уже не просто задан — он реализуется ударными темпами.

Если вспомнить историю: Илон Маск ездил по крупным концернам, убеждал руководителей, что будущее — за электромобилями. Никто не верил. В итоге «Тесла» стала тем самым «убийцей ДВС» — успешным примером, после которого почти все компании ввели собственные линейки электромобилей и объявили планы полного перехода на электротягу.

Конечно, у двигателя внутреннего сгорания есть свои преимущества. Например, дорога из Екатеринбурга в Тюмень — там нет и долго не будет густой сети электрозаправок. Поэтому ДВС полностью не исчезнет в ближайшее время. Но для мегаполисов будущее уже очевидно — это электротранспорт.

В конечном итоге все будет определяться стоимостью. Сейчас электромобили покупают в основном состоятельные люди — это пока дорого. Но, как один наш чиновник сказал: «Мы будем развивать электромобили, потому что они намного проще». И это правда: батарея, электромоторы, электроника — по сравнению с обычным автомобилем, где сотни движущихся деталей.

Фото: 66.RU

— Литий-ионные системы сегодня задают тон, но все чаще говорят и о натрий-ионных. Это действительно новый большой тренд?
— Да, это очень заметный тренд. Натрий-ионные аккумуляторы активно развиваются и займут свою крупную нишу. Это энергетика, стационарные накопители, электробусы, бюджетные электромобили. В этих сегментах они будут очень массовыми и во многом оправданы по характеристикам.

— Какие у натрия преимущества?
— Главное — цена. Пока рано говорить о конкретных цифрах, потому что отрасль только формируется, аккумуляторы только выходят на рынок. Но есть объективные факты.

Натрий — шестой по распространенности элемент земной коры. Литий встречается намного реже. Поэтому сырье для натрий-ионных аккумуляторов изначально дешевле.

Второй момент более технический. Литий образует сплавы с алюминием, поэтому в литий-ионных аккумуляторах на аноде используется медная фольга. Натрий сплавов с алюминием не образует — и можно использовать алюминиевую фольгу, которая гораздо дешевле и легче.

Самое важное: в натрий-ионном аккумуляторе и анод, и катод наносятся на одинаковую алюминиевую фольгу. В литий-ионных — фольга разная: алюминиевая и медная. Это дает серьезное преимущество.

Благодаря этому натрий-ионные аккумуляторы можно хранить полностью разряженными, «в ноль», — и они не деградируют. Литий-ионным так нельзя: их обязательно нужно держать подзаряженными.

У натрий-ионных батарей еще и более высокие мощностные характеристики. Их можно быстрее заряжать, и они способны отдавать больше энергии в единицу времени. По удельной мощности они выигрывают — и за счет этого ожидается, что они лучше будут работать при низких температурах, в условиях севера. А для нашей страны это крайне актуально.

Ну и ключевое: натрий-ионные системы полностью вытеснят свинцово-кислотные аккумуляторы. А этот рынок сегодня оценивается примерно в 50 миллиардов долларов.

— Сейчас вы работаете в очень прикладной области, но в вашей биографии есть и фундаментальные открытия. Например, ртутные сверхпроводники. Насколько значимым было то открытие для мировой науки?
— Оно действительно повлияло на направление мировых исследований. Мы тогда получили очень высокие температуры — при нормальном давлении это 135–138 Кельвин, и до сих пор выше этого значения в сверхпроводниках при нормальном давлении никто не получил.

У этих соединений очень простая кристаллическая структура. Это редкость для высокотемпературных сверхпроводников и огромное преимущество для фундаментальных исследований — для понимания природы сверхпроводимости, для построения теоретических моделей. Поэтому я считаю, что открытие этого семейства действительно было важным. Не случайно нам с моим коллегой Сергеем Путилиным присудили награду Мирового конгресса по сверхпроводимости — ее вручал вице-президент США.

Наше открытие дало хороший ориентир для дальнейших исследований медьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. И я бы с удовольствием продолжил эту работу.

— Почему не продолжаете?
— Тогда на это просто не было денег. А потом я уже занимался прикладными проектами с компанией «Русал»: мы разрабатывали новые технологии получения алюминия и начали развивать направление аккумуляторов — сначала литий-ионных, затем натрий-ионных.

Если бы были ресурсы, я бы с удовольствием вернулся к сверхпроводникам. Идеи есть — они не исчезли, они просто лежат «в резерве». Там и сейчас много направлений, в которые интересно двигаться. Как и в аккумуляторах: можно повышать удельную энергию, можно — удельную мощность, можно работать над сроком службы или над снижением цены. Последнее вроде бы менее научное, но если хотите, чтобы технология стала массовой — это ключевой фактор.

— Если развивать технологию сверхпроводимости, что она может изменить в жизни обычных людей?
— Самое простое — это передача электроэнергии без потерь. Такие проекты уже делаются. МРТ — тоже яркий пример: там сейчас используются низкотемпературные сверхпроводники, нужен жидкий гелий, поэтому все очень дорого. Сверхпроводники нового поколения могут такие установки сильно удешевить.

Компьютеры — огромное направление. Сверхпроводящие моторы — тоже. Я когда-то работал с профессором Ковалевым: он делал моторы на сверхпроводниках, и они давали мощность в разы выше при меньших размерах, даже с учетом системы охлаждения. И применений будет только больше. В Японии, например, сверхпроводники уже стоят используются в поездах магнитной левитации.

— То есть это может затронуть практически все сферы жизни?
— Один мой коллега говорил: XX век был веком полупроводников, а XXI век будет веком сверхпроводников.

Фото: 66.RU

— Вы говорите о сферах, где возможны настоящие прорывы. А как страна вообще выбирает такие направления? Что сейчас считается стратегически важным для науки и промышленности?
— Есть несколько направлений, которые государство выделяет как приоритетные. Аккумуляторная сфера — одно из них. Это зафиксировано в Национальном проекте технологического лидерства, есть дорожная карта, утвержденная правительством, и президент неоднократно подчеркивал важность этой области.

— То есть воля государства есть. А что с кадрами? Хватает ли специалистов, чтобы такие проекты действительно заработали?
— Это действительно большая проблема. Кадры нужно готовить, и в серьезных производствах это не пара человек — это исследовательские лаборатории, контроль, эксперименты, то есть тысячи специалистов. Пока с этим сложно. Например, на наших всероссийских конференциях собирается 150–200 человек, а в Китае — тысячи.

Но сейчас, насколько я вижу по общению с руководителями и министрами, государство уделяет этому большое внимание. И премия Сбера здесь тоже показательна — она подчеркивает важность направления. Думаю, одна из причин, почему научный комитет присудил мне эту награду, как раз в том, что тема аккумуляторов стала стратегически значимой.

— Сейчас особенно важны кадры — люди, которые смогут двигать эти направления. А когда вы сами выходите к студентам, есть ли ощущение, что лекция — это тоже инвестиция? Что кто-то после нее может выбрать науку?

— Конечно есть. Когда выступаешь перед студентами или школьниками, главная задача — привлекать талантливых людей в науку. Наука держится на таланте. Количество важно, но качество намного важнее.

У меня были студенты, которые в рамках дипломной работы самостоятельно формулировали проблемы и делали очень интересные проекты и статьи — такие, которые отлично цитируются и получили признание в мировом научном сообществе. Это как раз результат того, что человек видит важную проблему, ставит задачу и пытается найти путь ее решения.

— А тем, кто после вашей лекции всерьез задумается о науке, что бы вы посоветовали? Не формально, а по-человечески — с высоты вашего опыта и всех пройденных этапов.

— Есть такая фраза, кажется, у Пушкина в «Сказке о попе и о работнике его Балде»: «Не гоняйся за дешевизной». Многие ориентируются на сиюминутное: где заплатят больше, что можно сразу купить, куда слетать. В науке так не работает. Чтобы стать специалистом, нужно очень долго и упорно трудиться. И только потом появляются возможности.

Мой совет простой: если вам действительно нравится наука — работайте. Это долгий, кропотливый путь. И это не история «с девяти до пяти». Ты идешь домой и продолжаешь думать: почему эксперимент дал такой результат? Может, температура не та? Может, время изменить? Может, состав? Наукой нужно жить — иначе ничего не получится.