Нанотрубки на низком старте

Русский бизнес
Москва, 24.02.2020
«Эксперт» №9 (1153)
Новосибирская компания «Оксиал» стала крупнейшим в мире производителем графеновых одностенных нанотрубок. И хотя продает она не более трети синтезируемого материала, объемы производства намерена наращивать в расчете на будущий спрос со стороны тех потребителей, которые начнут массово скупать ее продукцию для промышленного применения

ПРЕДОСТАВЛЕНО КОМПАНИЕЙ «ОКСИАЛ»

Компания «Оксиал» (OCSiAl) раньше не показывала широкой публике свою установку по синтезу нанотрубок «Графетрон», тщательно охраняя секреты производства. Но запустив недавно новую, «Графетрон-50» (рассчитана на 50 тонн продукции в год, в то время как первая установка — на 25 тонн), решилась продемонстрировать это масштабное сооружение. В мире эта установка самая крупная.

«Материал, который мы здесь синтезируем, ни на что не похож. Он лишь в десять раз тяжелее воздуха и в сто раз легче воды, а выглядит как липкая черная паутина. Пять-десять килограммов субстанции из нашего реактора может наполнить эту комнату. Никто в мире, кроме, может быть, пауков, ничего похожего не производит, — улыбается президент “Оксиал” Юрий Коропачинский. — Не только синтезировать, но и транспортировать и измельчать этот материал нужно особым образом. Наша установка не просто реактор для синтеза, а завод-робот, который сам выполняет все операции, а в конце цикла находится емкость с готовым измельченным однородным материалом».

Вари, горшочек

В безлюдном помещении за стеклом стоит что-то похожее на большой котел, окруженный многочисленными переплетенными трубками. «Варятся» здесь одностенные углеродные нанотрубки, иначе говоря, свернутые в цилиндр плоскости графена. Применение этого материала меняет свойства исходного материала в лучшую сторону — например, делает его прочнее, повышает электро- и теплопроводность. Нанотрубки могут повысить проводимость электролита в батарее, тогда у нее упадет внутреннее сопротивление, и она будет меньше нагреваться, что уменьшит вероятность взрыва. «Добавление нанотрубок к традиционным материалам может позволить создать принципиально новые конструкционные материалы», — комментирует Максим Худалов, старший директор — руководитель группы оценки рисков устойчивого развития Аналитического кредитного рейтингового агентства (АКРА).

Нанотрубки бывают одностенные и многостенные, первые считаются более чистым материалом с более высокими свойствами теплопроводности («Оксиал» специализируется как раз на одностенных). «При этом многослойные трубки дешевле в производстве», — говорит Иван Бобринецкий, ведущий научный сотрудник Московского института электронной техники (МИЭТ), генеральный директор компании «Наносенсор», которая занимается интеграцией нанотрубок в микроэлектронику.

Объем мирового рынка одностенных нанотрубок Максим Худалов оценивает в 15–20 тонн, в стоимостном выражении это 20–25 млн долларов.

Инжиниринг установки делала израильская компания; полный список поставщиков оборудования для создания нанореактора в «Оксиал» не раскрывают. Но большинство из них, по словам Юрия Коропачинского, — зарубежные. Среди российских он называет завод «Сибэлектротерм», который участвовал в создании и первого, и второго реакторов. Только на оборудование и его монтаж (без учета стоимости зданий и сооружений) ушло порядка 23 млн долларов. «Но производить установка сможет продукции на сто миллионов долларов, — говорит г-н Коропачинский. — Если она будет работать на полную мощность, а весь продукт — продаваться, то окупит себя за квартал. А любое другое промышленное оборудование — например, в хлебопечении или кондитерском производстве — окупается в течение пяти лет, в металлургии и энергетике — 20–25 лет».

С нанотрубками (открыты они, кстати, советскими учеными) наука работает давно, но активно применять их в исследованиях ученые начали в 1990-е годы, говорит Иван Бобринецкий. В 1999 году он пытался закупить одностенные нанотрубки в США, однако компания-производитель не стала продавать их в Россию — видимо, по политическим соображениям. «Тогда-то я узнал, что вся эта формальная открытость и доступность технологий являются просто декларацией, — утверждает Иван Бобринецкий. — В этой сфере мало что меняется: в 2014 году мы снова пытались купить трубки в США у известного поставщика расходных материалов для химии, но нам отказали».

В том же 2014 году на рынок вышел «Оксиал», начав делать трубки по технологии, разработанной под руководством академика РАН Михаила Предтеченского. В 2015 году было синтезировано 1,2 тонны трубок, через четыре года производительность установки выросла до 25 тонн.

В полезности материала сомнений нет. По словам Максима Худалова, он мог бы уже начать вытеснять сталь и цветные металлы в автопроме, машиностроении и энергетике, если бы не высокая стоимость его получения. В «Оксиал» утверждают, что с высокой себестоимостью материала разобрались и знают, как ее снижать.

Выходя на рынок, компания начала продавать трубки, как здесь утверждают, по цене значительно ниже, чем можно было найти на мировом рынке. Впрочем, речь идет о нанотрубках, используемых для лабораторных целей — для R&D-подразделений компаний, а не о материале для промышленного применения. «До момента, когда мы вышли на рынок, нанотрубки, предназначенные для исследований, стоили от 500 долларов за грамм, и производители обещали, что при покупке трубок “килограммами” цена составит 100–150 долларов за грамм, — говорит Юрий Коропачинский. — А мы в 2014 году вышли с ценой три доллара за грамм».

Впрочем, эти сравнения не совсем корректны. Одностенные трубки «Оксиал» — это не совсем то же самое, что материал, который закупают ученые для исследовательской работы, считает Иван Бобринецкий. По его словам, одностенные трубки для использования в электронике и сегодня стоят тысячу долларов за грамм. Все дело в чистоте материала: в трубках «Оксиал» 20% примесей (аморфные углероды, частички катализатора и проч.). Такой материал в электронные компоненты добавлять нельзя. Бобринецкий сравнивает нанотрубки с золотом: можно купить ювелирное, смешанное с медью, а можно в банке — чистое. Высокоочищенный наноматериал по-прежнему делают только за рубежом, и цены на него не снижаются, говорит он. У «Оксиал» другой путь, добавляет ученый, ведь компания делает нанотрубки для промышленного внедрения. Таких производителей в мире мало. Сам Коропачинский считает конкурентом только японскую Zeon Corporation, которая, по его сведениям, располагает мощностями для производства четырех тонн нанотрубок в год. Но у «Оксиал» нанотрубки значительно дешевле, утверждает Юрий Коропачинский, потому что компания использует оригинальный метод синтеза, который держится в секрете.

Можно ли еще удешевлять одностенные нанотрубки? Теоретически да, если строить более масштабные синтезирующие установки. «Но речь идет только о снижении себестоимости. Мы не собираемся продавать их на рынке дешевле тысячи долларов за килограмм», — отмечает Коропачинский.

Снижать себестоимость нанотрубок можно, создавая более крупные производственные мощности, с одной стороны, а с другой — добиваясь лучшей их смешиваемости с другими материалами (диспергирования). Для этого «Оксиал» продает не собственно нанотрубки, а содержащие их суспензии, сделанные по собственной технологии. Это позволяет вносить нанотрубки в другие материалы без нарушения стандартных производственных процессов и добиваться оптимальной концентрации трубок в конечных продуктах при одновременном снижении их расхода.

Именно наличие у «Оксиал» технологий и в целом выстроенную инфраструктуру проекта Иван Бобринецкий считает преимуществом компании.

«Одностенные трубки делают многие в мире, те же китайцы пытаются, — говорит Бобринецкий. — Но именно наличие технологий для введения трубок в материал — это плюс “Оксиал”. Нанотрубки — сложный материал: они путаются, их можно сравнить с сахарной ватой. Как смешать эту “нанотрубочную” вату с полимером, чтобы в итоге получить равномерную композицию, — это и есть ноу-хау “Оксиал”».

В Китае огромный рынок нанотрубок, особенно много многослойных, рассказывает Иван Бобринецкий, но проблема в том, что китайцы не могут гарантировать постоянство качества — от партии к партии свойства трубок сильно отличаются. «Китайские коллеги пока обеспечивают, скорее, массовость производства. А у “Оксиал” примеси в наноматериале хотя и есть, но они заранее известны. Производители пластиков, композитных материалов знают, с чем будут иметь дело, и понимают, как от примесей избавиться. Или им ясно, что они не влияют на процесс, — объясняет г-н Бобринецкий. — Главная проблема с нанотехнологиями в том, что качество материала может меняться при изменении любого входящего параметра, будь то источник воды, газа, металлов для синтеза наноматериалов».

В российской компании «Аком», производителе аккумуляторов для автомобильной отрасли, экспериментируют с графеновыми трубками, однако работают с белорусским поставщиком наноматериалов. Как рассказали в компании, наноструктурированные материалы сами по себе не обеспечивают повышения качества материала, использующегося в производстве батарей. Если неправильно провести процесс смешивания нанотрубок с базовым материалом, использующимся при изготовлении батарей, — оксидом свинца, то свойства батарей могут и ухудшиться. Среди поставщиков наноматериалов «Аком» выбрал белорусскую компанию «Передовые исследования и технологии», которой руководит известный белорусский ученый Сергей Жданок. Там создали установку для смешения наноматериалов с оксидом свинца. Как рассчитывают в «Акоме», нанотрубки в перспективе позволят сократить расход базового материала на 10% при сохранении тех же характеристик батарей либо не сокращать его, но повысить емкость и количество циклов заряда-разряда. До промышленного производства батарей с наноматериалами еще далеко, говорят в «Акоме», — рынок должен подтвердить спрос на такой продукт.

Накопление под будущий спрос

Главное ноу-хау «Оксиал» — умение создавать суспензии и концентраты нанотрубок, позволяющие вносить их в материалы наиболее эффективным способом 26-03.jpg КИРИЛЛ КУХМАРЬ/ТАСС
Главное ноу-хау «Оксиал» — умение создавать суспензии и концентраты нанотрубок, позволяющие вносить их в материалы наиболее эффективным способом
КИРИЛЛ КУХМАРЬ/ТАСС

Производители в массе своей пока просто не знают, зачем им нужны нанотрубки, считает Иван Бобринецкий. Пока нет массового промышленного применения нанотрубок — они в основном используются в исследовательских целях, чтобы найти варианты их применения в больших объемах.

Компания «Оксиал» еще в стадии роста и на прибыль не вышла, ее расходы превышают доходы. По словам Юрия Коропачинского, последние пять лет у «Оксиал» каждый год удваиваются и выручка, и объемы синтеза, но далеко не всю продукцию удается сбыть. В 2019 году выручка компании составила 14,3 млн долларов, было синтезировано 23 тонны нанотрубок (при средней цене продажи 1800 долларов за килограмм). Продали 35% произведенного объема, а остальное пошло на склад.

«У нас супермаржинальное производство, — говорит г-н Коропачинский. — Так что у нас склад прибыли. Нанотрубки хранятся вечно. Поскольку нельзя написать в документации слово “вечно”, мы попросили нашу профессуру рассчитать срок годности. Они сказали: при воздействии кислорода и солнечного света десять процентов трубок могут окислиться через восемь тысяч лет. Их даже сжечь нельзя, потому что в воздухе недостаточно кислорода, чтобы соединиться с такой площадью поверхности. Хранить их дешево, как и транспортировать: по цене дорогого французского коньяка мы везем их, например, в США самолетом».

Компании нужны запасы, полагает Юрий Коропачинский, ведь покупатели — настоящие и потенциальные — хотят иметь гарантии поставок, если с ними будут подписаны контракты. Пока почти весь объем продаж продукции «Оксиал» приходится на зарубежные страны. И оттуда компания ждет крупных заказов, когда эффективность использования наноматериалов станет очевидна производителям.

Тестируют нанотрубки, по словам Коропачинского, все мировые производители литий-ионных батарей: «Из 160 производителей в мире мы работаем со 140».

Покупателей в «Оксиал» не называют. «Но в прошлом году произошло несколько событий, о которых мы можем рассказать, — говорит г-н Коропачинский. — Мы прошли аудит в крупных мировых компаниях и получили сертификаты поставщика. Это LG, Pirelli (производитель шин), и Jotun, выпускающая покрытия для трасс и других применений. Я не могу рассказывать о тех продуктах, которые мы с ними делаем».

Что будет, если в автомобильный аккумулятор добавить нанотрубки, насколько это улучшит (и, возможно, сделает дороже) конечный продукт? «Нет простого ответа, — говорит Юрий Коропачинский. — Свойства аккумуляторов настолько критичны, что если появится “правильная” батарейка, то она может стоить хоть в два раза дороже обычных. Батареи — это тот пункт, из-за которого электромобили до сих пор не могут победить машины с ДВС. В батареях, которые используются в современных электромобилях, четыре килограмма “сажи” — добавок, обеспечивающих электропроводность. Если мы добавим в них сто граммов нанотрубок, то можно убрать эти четыре килограмма техуглеродов. И поскольку вы выкинули технический углерод, который не запасает энергию, и заменили его на активный материал, то это на два-три процента повысило энергоемкость батареи».

Большие надежды в компании связывают с использованием нанотрубок в кремниевом аноде, который в будущем может заменить графитовые, применяемые сейчас в аккумуляторах.

Емкость кремниевого анода позволяет теоретически увеличить энергоемкость на 40%. «Это знают все компании мира, — говорит Юрий Коропачинский. — Все автопроизводители заявляют, что следующее поколение батарей для электромобилей будет содержать кремниевый анод. Но проблема в том, что сегодня эта технология обеспечивает только 50 циклов заряда-разряда. Для смартфона нужно минимум 500, для электромобиля — тысяча. Есть только одна возможность добиться тысячи циклов — добавить в материал наши нанотрубки».

Планы в «Оксиал» строят амбициозные. По словам Юрия Коропачинского, в 2022 году «Оксиал» продаст более ста тонн трубок на 150 млн долларов. Маржа составит более 100 млн долларов — так компания покроет свои расходы и заработает чистую прибыль на уровне двух третей выручки: «“Яндекс” сейчас стоит пятнадцать миллиардов долларов, а маржа у них 500 миллионов. У нас 2022 будет сто миллионов. Делим пятнадцать на пятьсот, получаем тридцать и умножаем на сто. Три миллиарда долларов — это и есть будущая стоимость нашей компании».

За счет чего будет рост? Как объясняет Юрий Коропачинский, у «Оксиал» четыре направления, где есть продажи в крупные проекты по тестированию трубок. Это литий-ионные батареи, эластомеры (продукты из силиконов и каучуков), реактопласты (стеклопластики, углепластики, композиты для автомобильной промышленности) и, наконец, термопласты (полиэтилен, полистирол и проч.).

В «Оксиал» ожидают, что через три года 50% выручки компании будут приносить производители батарей, а три других направления обеспечат вторую половину. «А вот через десять лет батарейки будут приносить лишь 20–25 процентов, — прогнозирует Коропачинский. — В других направлениях есть более емкие применения, очень медленно развивающиеся. Например, шины, которые для нас станут самым большим рынком через десять лет. Но в ближайшие годы массовый выпуск шин с нанотрубками не начнется — в этой сфере запуск продукта занимает пять-семь лет».

По мнению Ивана Бобринецкого, перспективные сферы применения трубок «Оксиал» — материалы для 3D-печати, которая быстро развивается и требует новых добавок; костные импланты — здесь требуются все более прочные материалы; и третье, самое массовое направление, — создание более легких и прочных композитных конструкций. «Возможная проблема только в протекционизме на мировом рынке, — считает Бобринецкий. — США не продают в Россию и еще ряд стран нанотрубки, и будут ли они позволять своим производителям покупать их у российской компании (“Оксиал” зарегистрирован в Люксембурге. — “Эксперт”) — вопрос открытый. По крайней мере, последние двадцать лет политическая ситуация сильно влияет на науку, это я знаю из своего опыта».

Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник МГУ имени M. В. Ломоносова Сергей Савилов сомневается, что у производителей литий-ионных батарей нанотрубки «Оксиал» окажутся востребованными — из-за слишком высокого содержания железа в материале. «В соответствии с большим числом опубликованных научных исследований содержание примесей переходных металлов в углеродной составляющей должно соответствовать миллионным долям, иначе это приводит к быстрой деградации сборок, — объясняет ученый. — Если говорить о применении таких трубок в более массовом сегменте — в качестве наполнителей в резинах, эластомерах и термопластах — стоит задуматься о цене, ведь многослойные нанотрубки, демонстрирующие практически тот же эффект, стоят от двадцати долларов за килограмм».

Максим Худалов убежден, что перспективы у продукта «Оксиал» есть, если он сильно подешевеет: «Сегодня это добавки в особо ответственные конструкционные элементы, а завтра, при снижении цены в пять–десять раз, это будут уже готовые проводники и элементы конструкции, что позволит существенно расширить географию применения материала. Снижение цены приведет на зарубежных рынках к кратному росту спроса на продукцию, поскольку ее физические качества уникальны, а альтернатива пока не просматривается». Однако на российском рынке «Оксиал» будет трудно увеличивать продажи из-за согласований, необходимых для внедрения в производство нового материала, отмечает г-н Худалов.

Дорожный эксперимент

 26-02.jpg

В России недавно был проведен эксперимент по внедрению нанотрубок производства «Оксиал» в дорожный битум для асфальтобетонной смеси. Проект реализовывала компания «Эко Груп», работающая в сфере переработки пластика. По словам гендиректора компании Александра Грейза, вместе с «Оксиал» они начали исследовать влияние нанотрубок на физико-механические свойства асфальтобетона и разработали методы диспергации одностенных трубок в битумы, а затем — применения модифицированного битума в асфальте. «Автодор» согласился выделить участок автодороги длиной один километр (на ремонтируемом отрезке трассы М-4 «Дон» в Ростовской области) для эксперимента. Через 12 месяцев после внесения экспериментального модификатора визуальный осмотр показал, что по сравнению с обычным участком дороги на экспериментальном трещин меньше, они короче, и ширина расхождения значительно меньше. «Осмотр также показал, что колея не превышает допустимых параметров, — говорит Александр Грейз. — Суть идеи в том, что нанотрубки армируют асфальтобетон, то есть выступают в роли арматуры, но только на молекулярном уровне».

Что касается цены вопроса, то, по словам Грейза, так как необходимое для введения в битум количество нанотрубок измеряется в сотых долях процента в общей массе, удорожание по отношению к увеличению долговечности и прочности покрытия весьма незначительно.

В свою очередь, Юрий Коропачинский утверждает, что в этом эксперименте нанотрубки заместили другие дорогостоящие полимерные модификаторы, которые традиционно используются при создании асфальтобетонной смеси, за счет чего экономика осталась той же.

Как рассказал Сергей Ильин, заместитель директора департамента проектирования, технической политики и инновационных технологий «Автодора», сейчас ведется мониторинг свойств экспериментального участка, результаты которого пока не подведены. «Технология введения инновационного модификатора с нанотрубками несложная, и мы смогли ее освоить, — говорит он. — Но определенное удорожание на тонну асфальтобетонной смеси присутствует. Поэтому мы будем оценивать результат по межремонтным срокам, и если увидим серьезное увеличение, то будем развивать применение этой технологии. Пока выводов мы не сделали, но визуально экспериментальный участок в отличном состоянии. Такой же эксперимент мы запланировали в северной части страны, чтобы посмотреть, как инновационное покрытие поведет себя в условиях низких температур. Главное, что мы поддержали эту технологию, включив ее в реестр инноваций Минтранса РФ. В дальнейшем вместе с разработчиками сформируем стандарт, описывающий и технологию внесения в асфальт битума с нанотрубками, и свойства, которые мы получим. Но нанотрубки лишь одна из множества технологий упрочнения дорожных покрытий. Альтернативные материалы существуют».

Новости партнеров

«Эксперт»
№9 (1153) 24 февраля 2020
Китай встал
Содержание:
Вирус дал осложнения

Коронавирус выдыхается, а негативные последствия для производителей сырья, для авиационной и автомобильной отраслей только набирают обороты. В мягком варианте потери для экономики G20 составят 140 миллиардов долларов

Главная новость
Наука и технологии
Реклама