1. PLANET OF PEOPLE
46
— Максим, где вы учились?
— Я учился на Украине, в университете го-
рода Черновцы, на химическом факультете.
Потом я учился в Австрии, работал в Амери-
ке, в Чикаго, и сейчас работаю в Швейцарии
одновременно в ETH и в EMPA. Я переехал
три года назад и занял стартовую для моей
профессии позицию. Здесь нормальный срок
для вхождения в тему примерно шесть лет.
Это время дается на то, чтобы нанять людей,
сделать бюджет, построить лаборатории, на-
чать публиковаться в хороших журналах, и
потом уже можно будет говорить о продви-
жении с этой позиции. Так что три года уже
«израсходовано»…
— Три года назад вы получили от Научного
фонда Швейцарии какие-то деньги?
— Нет, я получил только свою позицию,
а финансирование набирается постепенно
и оно смешанное: немножко от института,
но гораздо больше надо получить из разных
фондов. Нас финансирует Швейцарский на-
учный фонд, но мы привлекаем и европей-
ские гранты, и финансирование от промыш-
ленности — много разных источников. Я их
сам ищу, в этом большая часть моей рабо-
ты — найти финансирование. Однако очень
плохо, если мы будем под одну и ту же рабо-
ту получать деньги из разных мест. Каждый
проект должен быть особым. Мы можем ис-
пользовать то же оборудование, но материал,
например, должен быть другой. К счастью,
разнообразие наноматериалов это позволяет.
— У вас есть какая-то сборочная линия?
— Мои сотрудники сами покупают
койн-кейсы и ставят туда наши материалы.
Все, что там внутри, это ноу-хау. Именно ка-
кие материалы мы используем, разрабатыва-
ем — в этом наше ноу-хау.
— Каковы основные направления развития
литиевых батарей, чтобы увеличить их ем-
кость, живучесть?
— Практически все сводится к использо-
ванию наноструктурированных материалов.
Пусть, например, электрическая проводи-
мость у материала плохая, но если наноча-
стицы из этого материала смешать с чем-то
более проводящим, его тоже можно исполь-
зовать в литий-ионных батареях. Этим мы
и занимаемся — и мы не просто делаем но-
Вызов больших накопителей /
Вселенная наноматериалов
Интервью с Максимом Коваленко, сотруд-
ником EMPA (Swiss Federal Laboratories
for Materials Science) и профессором из-
вестного цюрихского университета ETH
(Eidgen ssische Technische Hochschule, что
означает буквально «высшая техническая
школа»).
Maxim Kovalenko
EMPA. Challenge of Large Storage / The nanomaterials Universe
2. PLANET OF PEOPLE
47
вые материалы, а идем путем использова-
ния нанопорошков и мелкодисперсных сме-
сей.
— Вот вы создали новый материал, что даль-
ше происходит?
— Дальше мы оцениваем его практичность.
Это показатели: киловатт-часы на килограм-
мы материала или кубический метр. Часто
меряем емкость в ампер-часах на килограмм,
и хороший материал — это 300 ампер-часов
на килограмм и выше. Теоретически можно
достичь и 4000. Мы стараемся использовать
материалы, которые в этом диапазоне, но
еще более важно, чтобы эта емкость не пада-
ла в испытаниях в циклах заряда-разряда, что
называется циклированием. Элемент надо
заряжать-разряжать где-то две-три тысячи
раз.
Когда емкость и стабильность материала
оказываются на хорошем уровне, мы можем
связываться с промышленностью и предла-
гать им этот материал. Конечно, сначала мы
патентуем, а потом предлагаем.
— Если вы создаете с кем-то стартап, вы вы-
нуждены будете этот патент выкупать или по-
лучаете его на каких-то льготных условиях?
— Его надо покупать уже у этого же инсти-
тута. Если я в нем работаю, он мне не принад-
лежит, он собственность института.
— В Технологическом университете Лозан-
ны ситуация несколько иная. Там, если ученый
создает стартап, он уносит это право с собой и
ничего не платит университету до тех пор, пока
не пойдет первая прибыль. Здесь другие усло-
вия?
— Я думаю, и так и не так одновремен-
но. Решает в каждом случае трансфер-офис,
и в каждой ситуации они проявляют доста-
точную гибкость. Они всегда найдут подхо-
дящее решение. Например, если они пере-
дают технологию в крупную международную
фирму, они не дадут им послаблений, но если
они отдают своему стартапу, то могут ничего
у него не попросить или очень мало попро-
сить, и подождать, посмотреть. Очень разные
контракты могут быть. Нет каких-то абсо-
лютных стандартов.
— Существует такой механизм — предприя-
тие заплатило за патент, но ему пока не выгод-
но эту новую технологию использовать, потому
что ему надо заново вкладываться и т. д. И па-
тент кладется «на полку». При таком механиз-
ме новое пропадает, не так ли?
— Много патентов пропадает, скорее даже
большинство пропадает. Многие покупают,
чтобы иметь это патентное портфолио для
массированной защиты своего производства,
но напрямую патент не используют, не вне-
дряют. Однако в Швейцарии есть не только
фонд для фундаментальных исследований,
но и для исследований более прикладных —
Pollution and Technology Evolution. Если есть
промышленность, которая будет заинтере-
сована, но материал еще не разработан на
том уровне, чтобы они его внедряли в произ-
водство, мы договариваемся, подаем заявку
в этот фонд и дополнительные исследования
уже финансирует этот фонд.
— Если материал взяли на производство —
это значит, что заплатили за патент или платят-
ся отчисления?
— Есть специальный офис, который уже
договаривается, на каких условиях техно-
логия переходит в промышленность. Это
институт, который получит роялти, если,
например, будет оформлена лицензия. Лабо-
ратория получает какую-то часть из этих де-
нег, чтобы дальше инвестировать их в новые
приборы и т. д.
— Вы ориентированы на то, чтобы создать
с предприятием стартап и в нем участвовать
или все-таки вы как ученый остаетесь в лабо-
ратории?
— Я стараюсь больше заниматься наукой
как ученый. Но многие здесь, в ETH и в Цю-
рихе, создают стартапы.
— Можете ли вы рассказать какую-нибудь
историю успеха?
— Еще рано. Мы сейчас сотрудничаем
с местной компанией, которая пробует наши
материалы в своей работе. Но я могу проде-
монстрировать, как это работает — в этом
шкафу материалы производятся, а здесь они
собираются в батарейку. Вы можете посмо-
треть, ребята работают — под вытяжкой. Все
компоненты достаточно легкие и лишнее
уходит вместе с воздухом. В промышленно-
сти и в нашей работе используется много ли-
тия. Есть литий-ионные, есть литий-серные,
потом литий-кислородные или литий-воз-
душные. Например в компании «Тесла» ис-
пользуют литий-ионные батареи.
3. PLANET OF PEOPLE
48
— Литий-серные — это добавка к литию?
— Сера — это катод для лития. Серный
анод, литий — катод.
— А комбинированные — воздушные?
— Металл-воздушные — это уже не ли-
тиевые. Литий-воздушные тоже бывают, но
они еще не используются, они пока слишком
опасны, а цинк-воздушные существуют и ис-
пользуются так же часто, как литий ионные.
— Ожидается, что литий-серные будут са-
мыми легкими? То есть их показатели на кило-
грамм веса будут наилучшими?
— Литий-воздушные — самые легкие, но
они довольно опасны в случае аварии. Бата-
рея состоит из двух частей, которые должны
быть разделены между собой — металличе-
ский литий и кислород, если они соединятся,
будет взрыв. Будет формироваться оксид ли-
тия с большим выделением тепла и горением.
— У вас заказчики — автомобилестроение
или другие какие-то?
— Мы работаем с одной фирмой, пока не
буду ее назвать, так они производят батареи
и для машин, и для часов, и для других целей.
Они потом будут определять, где лучше.
— А что нужно для часов?
— Например, для часов очень часто ис-
пользуются батарейки, которые не надо пе-
резаряжать. Это так называемые первичные
батарейки. Вторичные — это те, которые
перезаряжаются. Однако для часов вовсе не
обязательно, чтобы батарейка перезаряжа-
лась, но важно, чтобы она поддерживала ток
очень и очень долго, несколько лет. То есть
здесь совершенно другие параметры и требо-
вания.
— Где вы меряете циклы заряда-разряда,
циклируете?
— Здесь. Я вам покажу: вот батарейка
койн-форма (батарейка-монетка). Они раз-
ного диаметра и их очень удобно использо-
вать для тестирования материала. Мы поку-
паем стандартные койн-кейсы для них и туда
ставим свой материал. Здесь можно 8 батаре-
ек сделать с разной толщиной отдельного ма-
териала или 8 разных материалов. Одновре-
менно мы меряем несколько сотен батареек.
Есть более изощренная версия. Там, напри-
мер, батарейки, которые можно использовать
много раз, т. е. многоразовые батарейки. Они
раскручиваются, подвергаются вибрации.
— Литиевые батарейки известны. Вы про-
сто совершенствуете их, чтобы они дольше ра-
ботали, или пытаетесь найти какой-то новый
материал, чтобы это были не только литиевые,
но литий плюс что-то?
— Можно улучшить материалы, которые
сейчас используются в этих батарейках в про-
мышленности, если делать их в форме нано-
частиц!
— А что делается на оксиде титана?
— Оксид титана, например, делают тоже
в форме наночастиц.
— На основе оксида титана работает в Же-
неве проект TOSA — подзаряжаемый автобус.
— Этот проект работает на элементе ли-
тий-титан-оксид. Ответ очень прост. Путем
наноструктурирования материала можно
улучшить и существующие, и сделать воз-
можным использование материала, который
не работает в объемной форме. Когда мы де-
лаем наночастицы из этих материалов, они
сразу начинают работать и могут даже рабо-
тать лучше, чем другие. Например, есть мате-
риал, который в принципе мог бы взять много
ионов лития в себя, но не делает этого, пото-
му что он очень плохой электропроводник,
но в наносмеси мы можем смешивать пло-
хие проводники с хорошими проводниками,
и тогда избавляемся от ограничений — вооб-
ще, оказывается, нет никаких ограничений!
Это огромное поле новых материалов.
Вообще наноструктурирование снимает
множество ограничений, которыми облада-
ют известные нам вещества. Мы иногда го-
ворим, что даже масло можно сделать мате-
риалом для батарейки, если сделать из масла
наночастицы (при условии, если масло еще
будет содержать литий). И тогда даже такие
плохие проводники, как масла, в принципе
могли бы использоваться в батарейках!
— Совершенствование идет на базе лития?
Вы вводите наночастицы, добавляете литий
плюс что-то, и здесь, в принципе, возможен
прорыв?
— Как вариант, можно сделать не литие-
вые, а натриевые батарейки. Мы над этим
тоже работаем. Идея с натриевыми батарей-
ками, кстати, очень интересна и заключается
в том, что натрий — материал более дешевый
и более распространенный, чем литий. Лития
на планете не хватит, если каждая машина
4. PLANET OF PEOPLE
49
будет использовать литиевый аккумулятор.
Литий не очень доступен еще и потому, что
основные его ресурсы находятся в Южной
Америке, а там политическая нестабильность
весьма долгая перспектива.
Мы надеемся, что натриевые батарейки
можно сделать, как минимум, такими же
хорошими, как литиевые, или даже лучше.
Натриевые батарейки сейчас активно ис-
следуют, над этим работает довольно много
групп. Их еще широко не используют, но ла-
бораторные исследования ведутся уже пять
лет.
— И какие проблемы при использовании
натрия?
— Литиевые батареи были коммерциа-
лизованы компанией «Sony» еще в начале
1990-х и для лэптопов и для телефона они
были достаточно хороши. Однако задачи ме-
няются и аппетиты растут, возникла градация
хранилищ энергии по объему: Little Storage —
это ноутбуки и телефоны, Stationary Storage —
это автомобили, а теперь возникает сегмент
Large Storage.
Если вы хотите поставить аккумулятор
для ветряков, то энергию придется соби-
рать, потому что ее же не сразу используют
или используют не с такой скоростью, как
ее производит ветер. Вам всегда нужен боль-
шой запас энергии, чтобы компенсировать
нестабильность выработки энергии солнца
и ветра. Поэтому всегда аккумуляторы долж-
ны поставляться вместе с альтернативными
источниками. И характеристики емкости
нужны очень большие. Причем даже емкость
параметрическая не настолько важна, важен
вообще объем всей батареи — сколько ам-
пер-часов батарея может обеспечить. Здесь
уже не размеры, а цена становится лимитиру-
ющим фактором.
— А могут быть натриевыми накопители ме-
гаваттного класса для сетевого использования?
— Вполне возможно, причем для обе-
спечения стабильной работы изделий при
циклировании именно эта технология мо-
жет показать прекрасные результаты. Одна-
ко литиевые батареи будут еще долгое время
в цене.
— Что даст борьба за натрий?
— Как минимум, удешевит, а возможно,
даже улучшит, потому что если мы посмотрим
Inorganic Crystal Structure Database (ICSD),
обнаружим, что среди известных материалов,
которые взаимодействуют с литием и натри-
ем, материалов, которые взаимодействуют
с натрием, втрое больше. Теоретически мы
имеем больше шансов найти хорошие мате-
риалы для натрия, чем для лития. Как мини-
мум, дешевле будет, и вполне возможно, что
лучше. Очень много лабораторий этим зани-
маются, они легко перешли на натрий.
— Когда произойдет смена поколений литие-
вых и натриевых батарей?
— Наш прогноз — лет за 20. Сейчас элек-
тромобили начали делать на литии, но, мо-
жет, лет через 20 натриевыми тоже будут
снабжать. Надо сказать, что динамику эту
очень тяжело перебить.
— Кроме натрия что-то из неожиданных ве-
ществ может появиться?
— Магний тоже рассматривается, но по
магнию работает очень мало лабораторий.
Очень мало.
— С точки зрения экологии, какие из батаре-
ек наиболее вредные — магниевые или натрие-
вые? Литиевые вроде с этой точки зрения безо-
паснее? Вы параллельно исследуете вредность?
— Мы вредность не исследуем.
— А кто-то исследует?
— Я думаю, да. Есть какая-то группа, кото-
рая оценивает вторичную переработку и эко-
логичность этих батареек и многих других.
— Одновременно исследуются и возможно-
сти утилизации?
— Для лития — это даже критически важно
будет. Со временем именно не выбрасывать,
а достичь полного рециклинга.
— На какую мощность, емкость вы сейчас
пытаетесь выйти?
— Нет такой цели. Мы исследуем воз-
можность данного материала, насколько он
может вбирать в себя электричество. Объем
батареек напрямую не имеет значения. Но у
нас есть материалы, которые имеют 1000 ам-
пер-часов на килограмм и больше.
— Это в 10 раз больше. В массовом произ-
водстве — это 100?
— Да, это то, что сейчас реально продается,
а 300 — это лабораторный вариант.
— 1000 ампер-часов на кг — это уже рекорд?
— Это то, что в нашей и многих лаборато-
риях уже получено.
