Перестановка слагаемых

Петербургские изобретатели создали литий-ионные аккумуляторы на основе нанотехнологий. Емкость таких батарей в шесть-девять раз выше, чем у существующих аналогов. Однако чтобы перевести технологию в промышленную стадию, разработчикам не обойтись без партнера

В день открытия крупнейшей в Северной Европе выставки нанотехнологий Nanotech-2007 можно было наблюдать любопытную сцену. Представительная делегация Китайской Народной Республики во главе с министром науки и технологий осматривала экспозицию огромного выставочного центра Хельсинки, как водится, по заранее намеченному маршруту. Вдруг дорогу кортежу перегородил человек, который сходу взял министра за пуговицу и стал энергично о чем-то ему рассказывать. Когда возмущение публики улеглось, министр отдал распоряжение и незнакомец увел солидную часть делегации к своему стенду.

Возмутителем спокойствия оказался изобретатель из Петербурга Андрей Владимиров, вместе со своим коллегой Александром Филипповым презентовавший образцы нового поколения литий-ионных аккумуляторов, созданных методом нанотехнологий. По словам петербуржцев, в Хельсинки они приехали скорее посмотреть на людей, чем показать себя. Поэтому и зарегистрировались в последний момент, получив возможность сделать лишь стендовый доклад. Любезно пообщавшись, мы обменялись контактами и раскланялись. После подведения итогов выставки к Андрею и Александру пробиться уже не удалось. Их окружило плотное кольцо директоров крупнейших международных компаний, инвесторов, ученых и чиновников. Через некоторое время вся эта пышная свита (не хуже, чем у китайского министра) увлекла моих знакомых в мэрию Хельсинки – вручать гран-при фестиваля, который завоевал их скромный стендовый доклад.

Рассудку вопреки

Как известно, литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) широко применяются для накопления и сохранения электрической энергии в мобильных устройствах, телефонах сотовой и спутниковой связи, компьютерах, ноутбуках, медицинских устройствах, в авиации и космических системах, в системах безопасности. Однако у графитовой технологии, которая положена в их основу, есть пределы роста. Предложив альтернативу графиту, петербуржцы резко повысили потребительские качества батарей.

Технологию, так заинтересовавшую оргкомитет выставки в Хельсинки, Владимиров и Филиппов несколько лет безуспешно предлагали российским профильным институтам и производителям. Участвовать в ее доработке никто не пожелал. Наученные опытом (к тому моменту каждый из них уже много лет занимался технологичным бизнесом), изобретатели попыток не оставляли и нашли возможность провести независимые испытания в Греции и Китае.

Результаты ошеломительные. Сегодня лучшие коммерческие ЛИА имеют удельную емкость около 300 миллиампер в час на грамм. По подсчетам американских ученых, в будущем можно получить ЛИА емкостью около 600-900 миллиампер в час на грамм. Емкость аккумуляторов, разработанных Владимировым и Филипповым, достигала 2700 миллиампер в час на грамм – за пределами теоретически возможной. Секрет в том, что в качестве анода для батарей изобретатели использовали новые наноматериалы, полученные по специально разработанной технологии. Для ее создания и коммерциализации Владимирову и Филиппову пришлось применить не только знания, наработанные в разных отраслях высоких технологий, но и недюжинную силу воли.

Первый подход

 pic_text1 Фото: Александр Крупнов
Фото: Александр Крупнов

Свою небольшую компанию специалист по физике плазмы Александр Филиппов основал еще в 1990 году – как только у него появилась возможность работать самостоятельно. После 14 лет работы в институтах Академии наук, где, по его словам, проекты заканчивались лишь отчетами на пыльных полках, накопилось сильное желание реализовать наработанные идеи.

«Плазма – четвертое состояние вещества (кроме твердого, жидкого, газообразного), характеризующееся особой комбинацией ионизированных молекул, возбужденных атомов, ионов и электронов, – объясняет Филиппов. – Прелесть плазмы в ее широком распространении (звезды, галактики, Вселенная и даже человек – это сгустки плазмы) и разнообразии практических применений». При помощи различных типов плазмы (холодная низкого давления или высокотемпературная) можно обрабатывать практически любые материалы, от органики до тугоплавких металлов. При этом происходит изменение свойств вещества на атомном уровне, вот почему, по-особому обработанное, оно может служить совершенно разным целям.

Изобретатель начал работу с пустого стола – сначала дома, потом в съемной лаборатории. Вместе с друзьями купил высокочастотные генераторы питания и самостоятельно стал собирать на их основе плазмотроны. Готовая техника позволяла работать с материалами любой температуры плавления (температура в зоне реактора плазмы могла достигать 8-10 тыс. градусов – как на Солнце). На выходе получались особо чистые порошки тугоплавких материалов: особо чистый кварц для волоконной оптики, оксиды циркония для атомной промышленности, особо чистый титан, кремний, композитные керамики специального назначения. При использовании дополнительных реактивов и технологического оборудования можно было получать ультрадисперсные порошки, которые сегодня называются нанопорошками. Однако спроса на них со стороны широкого рынка в середине 1990-х не было. Поэтому для уникальной технологии пришлось искать более прозаичное применение.

«Космические семена»

Первым коммерческим проектом Филиппова стала технология предпосевной обработки семян для повышения их всхожести, сопротивляемости болезням и сохранения полезных элементов. В результате плазменной обработки в семенах происходило ускорение обмена веществ, межклеточного питания, улучшалась проницаемость межклеточных мембран. Метод прошел проверку в НИИ биологии Санкт-Петербургского государственного университета, семенной инспекции Россельхознадзора, Академии сельского хозяйства в Америке и был запатентован в России и США.

«Наши хозяйства стабильно получали 30-50% прибавки к урожаю, – рассказывает Филиппов. – У американцев при их агротехнике повысился урожай томатов в восемь-десять раз. В Китае такие семена получили название „космических“». Изобретатели сразу хотели продать технологию, но покупателей не нашлось. Пришлось пройти путь коммерциализации до конца: сейчас компания Филиппова производит семена, обрабатывает их плазмой, пакетирует и поставляет на рынок. Компания «Плазмас» включена в российский реестр производителей сельскохозяйственной техники, а образцы ее оборудования продаются не только в России, но и на экспорт.

Другим практическим применением технологии стало производство стеклянных микрошариков (размером в десятки и сотни микрон), которые имеют световозвращающие, катафотные свойства и используются для разметки дорог. Те же шарики можно применять для струйной обработки нефтепогружного оборудования, очистке и обработке металла, снятии заусениц после плавки. Струя из микрошариков как абразивом снимает с обрабатываемой поверхности всю грязь, может придать декоративный вид и вдобавок повышает прочность.

В 1997 году «Плазмас» нашел партнера и организовал первое в мире массовое производство стеклянных шариков по плазменной технологии. Начали приучать российских металлообработчиков и нефтяников к новой технологии. После перестройки те внедряли в основном западные технологии очистки оборудования. «При этом американцы и канадцы поставили условие нефтепогружное оборудование обрабатывать шариками. И до открытия нашего производства нефтяники эти „золотые“ шарики бочками доставляли на самолетах из Канады», – говорит Филиппов.

Плазменные технологии компании были оценены по достоинству. За короткое время в скромной петербургской лаборатории побывали представители таких гигантов, как Swarovski, Dupont, Levi’s, Procter&Gamble, Johnson&Johnson. Все они предлагали купить технологию и переманивали изобретателя в свои отделы исследований и разработок. Филиппов остался в Петербурге.

Опережая моду

«К концу 1990-х на мировом рынке начала формироваться мода на нанотехнологии, – вспоминает Андрей Владимиров. – Нобелевская премия 1997 года досталась открывателям фуллеренов, и народ зашевелился. Однако такой популярности и ажиотажа, как сейчас, тогда, естественно, не было. Большинство моих товарищей об этом даже и не слышали. Я стал специально искать людей, которым была бы интересна эта сфера».

Инженер-электронщик Владимиров в то время собирался увольняться из НИИ Министерства обороны, в котором проработал последние 27 лет, и искал перспективную область для приложения своих сил. В 1998 году на специализированной конференции он познакомился с Филипповым, и они вместе решили вернуться к оставленной когда-то технологии получения нанопорошков.

Для производства фуллеренов, нанотрубок и других углеродных материалов в то время использовался сварочный аппарат. Графит сжигался с помощью дугового плазменного разряда. В зависимости от типа электродов, дуги и электрических параметров, которые на нее подавались, в камере с графитом создавались различные условия. Под их воздействием кристаллическая структура графита перестраивалась, атомы углерода формировали новые элементы – фуллерены или нанотрубки – с новыми свойствами. Это как раз тот случай, когда от перестановки слагаемых сумма меняется. Беда была только в том, что эти процессы оставались неконтролируемыми.

 «Выяснилось, что для производства нанопорошков нужно создать управляемый источник питания, который бы обеспечивал быстротекущие, стабильные, повторяемые процессы в дуговом разряде», – говорит Владимиров. Вместе с коллегой Василием Хабузовым он подошел к задаче со стороны программирования и автоматизации, разработав и реализовав концепцию программного задания  динамических выходных характеристик источника. В итоге получилась установка на основе цифрового синтеза, которая может отслеживать, предсказывать и управлять процессами в дуговом разряде».

Время собирать камни

Разработав технологию производства и обработки наноматериалов с помощью плазмы, изобретатели стали искать для нее применение. Оказалось, что сама установка представляет собой уникальный универсальный сварочный аппарат. Записывая в память аппарата различные выходные характеристики, можно успешно настраивать его на различные виды сварки. Компания Владимирова «Лаборатория электронных технологий» несколько лет пыталась найти партнеров для его реализации в России, но в итоге заключила контракт с корейским судо- и автомобилестроительным гигантом Daewoo. Нанопорошки, полученные изобретателями, нашли применение в строительстве как прекрасная добавка, которая делает бетон более прочным, эластичным и дешевым. Так, завод Toyota в Петербурге будет строиться уже с применением наномодифицированного бетона.

«Сейчас говорят: нанотехнология, фуллерены и нанотрубки решат любую задачу, – рассуждает Филиппов. – Но мы уже давно знаем, что для каждой задачи нужно целенаправленно делать свой материал. Не просто фуллерены, а какие-то специальные фуллерены, нанотрубки и композиты на их основе. И вот мы посмотрели, какие фуллерены и нанотрубки (одностенные, многостенные) могут нам пригодиться и как с ними надо работать. Теперь мы можем создавать материалы с заданной структурой и свойствами для нужд конкретной отрасли».

Благодаря новой технологии цена 1 кг нового вещества упала до 200-400 долларов (для сравнения: 1 грамм нанотрубок на мировом рынке стоит от 100 до 1 тыс. долларов). Широкий спектр специальных наноматериалов с заданными свойствами (тепло- и электропроводностью, эластичностью) находит применение в научных исследованиях, например их использует оптический институт (ГОИ им. Вавилова). Однако сейчас самым перспективным продуктом для потребительского рынка стали литий-ионные аккумуляторы.

«Когда мы влезли в эту проблему, выяснилось, что в России вообще нет производства ЛИА. Вообще! – разводит руками Владимиров. – То есть все материалы и комплектующие для ЛИА покупают за рубежом. А ведь все это необходимо для обеспечения нашей безопасности: для средств связи, компьютеров, летательных аппаратов и всего остального».

Полагаться на себя

Создав пилотные образцы материала для аккумуляторов, Филиппов и Андреев решили проверить, не обманывают ли они сами себя. Однако провести испытания оказалось не так-то просто. Разработчики обращались к компании «Ригель», монополисту аккумуляторной техники для российской оборонки, ведущим профильным институтам Москвы – в НИИ «Графит», химфак МГУ – никто интереса не проявил.

«Есть материал, есть технология, есть образцы ЛИА. Мы все это сделали сами. Вложили, потратили собственные деньги, ни рубля от государства на эту стратегически важную для России разработку не получили. Выходит, это здесь никому не нужно? – задается вопросом Филиппов. – Зарубежные компании нас буквально осаждают, забрасывают письмами – их мотивация ясна: как можно раньше забрать полусырую технологию, чтобы реализовать ее у себя. Российских же игроков, которые хотели бы пусть даже обмануть нас, скопировать технологию, нет. Интереса к нам они не проявляют».

В итоге в прошлом году Владимиров и Филиппов все-таки провели испытания опытных партий ЛИА на заводе НАТО в Греции и крупнейшем китайском аккумуляторном заводе в городе Шенджень. Однако попытки договориться о совместном выводе технологии на рынок успеха не имели.

«Никто и нигде нас не ждет и помогать не будет, – резюмирует Владимиров. – Высокие технологии надо развивать самостоятельно. Мы это давно поняли и стараемся все делать сами. И находить достойных партнеров, с которыми это можно делать. А когда будет развита технология, появится готовая продукция, тогда уже можно на равных общаться. Искать достойного западного или восточного партнера для выхода на мировой рынок».

После многотрудных попыток изобретатели все-таки убедили петербургский Аккумуляторный институт (НИИ АИ «Источник») провести испытания своих аккумуляторов. С институтом заключен договор, согласно которому осенью 2007 года должны пройти стандартные испытания новых батарей. Если они подтвердят предполагаемые показатели, аккумуляторы можно будет подавать на сертификацию, после чего они будут считаться готовым продуктом.

Мировой рынок аккумуляторов, по разным подсчетам, к 2008-2010 году составит 50-70 млрд долларов. Российский рынок, по оценке Филиппова и Андреева, составляет около трети этой суммы. Список конечных потребителей, которые готовы покупать батареи в больших объемах, уже есть. Нет пока предложений от партнеров, которые взялись бы организовать промышленное производство. 

Санкт-Петербург

Литий-ионная батарея представляет собой заполненный электролитом корпус, в котором находятся анод, мембрана и катод. Когда происходит зарядка, ионы лития из катода переходят в анодный материал (графит) и внедряются (интеркалируют) в его слои. Получается формула LiC6 – шесть атомов углерода могут удерживать один атом лития. Теоретически максимально возможная емкость получившегося анодного материала составляет 372 миллиампер в час на грамм углерода. Благодаря использованию в качестве анодного материала специально обработанных нанотрубок аккумуляторы, разработанные Филипповым и Андреевым, при испытаниях показали емкость 600, 900, 1000, 1500, 1800 и, по последним данным, 2700 миллиампер в час на грамм.