Пять лет из жизни литиевой батарейки

Сколько раз за последнее десятилетие я слышал слово «инновация»? На разные лады этот термин склоняли журналисты и государственные мужи. Академики и венчурные инвесторы в один голос утверждали, что едят свой хлеб ради будущего инновационного прорыва в экономике и производстве. Громкие высказывания только затемняли смысл термина, и для меня оставалось загадкой, что такое есть инновация и как она появляется на свет. Наверное, поэтому я был так ошарашен, когда столкнулся с ней лицом к лицу.

Дело было так: мне предложили написать технико-экономический обзор по литиевым аккумуляторам для небольшой и, конечно же, инновационной компании ООО «Элионт». Директор по науке этой компании Вадим Сергеевич Горшков показал мне фотографии искореженных телефонов и ноутбуков, рассказал в двух словах про сверхбыстрый электрокар «Тесла», который ездит на точно таких же батарейках и потому не только мгновенно разгоняется, но и взрывается, и дал понять, что запатентованный им материал, в отличие от повсеместно используемых, абсолютно безопасен, а значит, принципиально важен для развития мирового электромобилестроения. Несмотря на звучащую в его словах убежденность в успехе, становилось ясно, что будущее электромобиля и связанных с ним технологий вовсе не безоблачно. Чтобы знать времена и сроки, а также подкрепить интуицию фактами, я должен был провести обзор рынков и технологий. В течение трех лет я следил за развитием литиевых аккумуляторов и за всем, что с ними связано, — в первую очередь за электромобилями.

Зачем нужны прогнозы

Вот такие-то концерны представили на выставке новый концепт EV (electric vehicle — электромобиль), затем компания — производитель батарей построила новый завод на такой-то площади, а сенаторы такого-то штата выделили субсидии для поддержки покупателей экологичного транспорта. Каждая новая цифра и дата увеличивала информационный вал, накрывающий мое сознание. Спасением были обзоры, благо их авторы уже провели работу по анализу и систематизации информации. Подавляющее большинство обзоров твердило о неизбежном рождении нового электромобильного рынка и его после-дующем молниеносном росте. Соответственно, рынок литиевых батарей ожидал четырехкратный рост к 2020 году за счет внушительного производства автомобильных аккумуляторов. Было заметно, что большинство аналитиков строило прогноз как экстраполяцию линейного роста рынков, хотя после кризиса 2008 года такой подход вызывал сомнения. Как заметил Нассим Талеб, аналитики склонны говорить лишь то, что все желают услышать. Впрочем, не-которые обзоры проговаривались, что потребителю дешевле сохранять природу с помощью нового дизеля, что экологичность EV скорее мнимая, по-скольку эмиссия углекислого газа переносится на удаленные энергостанции, что дальность хода EV мала, сеть заправок не покроет большие территории и, наконец, взрыв полуцентнера литиевых батарей составляет килограммы в тротиловом эквиваленте… Возникало ощущение, что громкие утверждения, субсидии и льготы — по сути, заклинания, призывающие новых богов ступить на покинутые земли.

В целом, вера правительств и концернов в будущее нерентабельной и взрывоопасной машины не могла не удивлять. Так, в конце 2010 года с конвейеров впервые сошли полностью электрический Nissan Leaf и плагин Chevrolet Volt, батарея которого подстрахована бензиновым электрогенератором. Режиссер, снявший в 2006 году пессимистичный фильм «Кто убил электромобиль» про убийство корпорацией GM своего детища — EV1, снял продолжение «Месть электромобиля». На этот раз главным героем стал Илон Маск — основатель Tesla Motors, акции которой победоносно брали очередную высоту на бирже NASDAQ. В ежегодном обращении к нации в январе 2011 года президент США Барак Обама уверил, что в 2015 году по американским дорогам будут колесить более миллиона электромобилей. В рамках антикризисной программы Министерство энергетики США выделило 25 млрд долл. на электромобилизацию всей страны, из которых половина была направлена на поддержку литий-ионной индустрии. В штате Мичиган, около Детройта — бывшей столицы автомобилестроения, были выделены гектары земли под строительство заводов — изготовителей батарей. Вокруг электромобиля нарастала густая сеть глобальных и локальных автопроизводителей и химических производств, губернаторов и бизнес-ангелов.

Не просто новинка на рынке

В попытках найти релевантное описание наблюдаемого феномена я наткнулся на Бруно Латура и его концепцию «косматых» вещей. Суть идеи Латура в том, что обычные вещи — «лысые» и «гладкие»: нам они кажутся автономными и независимыми от организации общества, от религиозных предпочтений политиков и пристрастий ученых. Ситуация меняется, когда нечто новое появляется на свет прямо на наших глазах, — тогда мы можем успеть заметить, что оно чрезвычайно «космато» и «мягкотело». Действительно, на тот момент судьба электромобиля зависела от самых странных факторов. Валютная война между Японией и Южной Кореей делала убыточным производство батарей. Обвинение в шпионаже менеджеров Renault-Nissan бросало тень на новенький Leaf, и первая его поставка была целиком сорвана Великим восточно-японским землетрясением. С другой стороны, субсидии компаниям и потребителям, снятие налоговых льгот нефтяникам, развитие сети заправок, назойливая реклама «зеленого будущего» — всё это подстегивало неизбежность «электромобильного будущего».

У разных игроков были разные цели: США и Европа ожидали новые рабочие места, Япония и Корея пред-вкушали очередную экспансию на мировые рынки, Китай чаял независимости от нефти и перехода на собственный уголь. Тем не менее свои-ми «космами» инновация связывала в одну сеть совершенно разнородных агентов, которые при этом оста-вались убежденными в независимости друг от друга и несвязанности их целей. Ученые продолжали исследовать, бизнесмены — считать доходы и убытки, политики убеждали на-роды; но благодаря электромобилю они стали действовать словно бы со-обща. Так, в поисках замены дорого-го кобальта крупные производители внедрили научную разработку катода, «разбавленного» никелем и марганцем. Поддавшись общему ажиотажу, китайское правительство заявило, что уже в 2011 году КНР произведет более полумиллиона EV. Этот бессмысленный, казалось бы, шаг под-стегнул масштабное внедрение еще не остывших исследований железо-фосфатных катодов. Корейские корпорации и японские автоконцерны молча и целеустремленно разворачивали производственные мощности по старым лекалам, внимательно всматриваясь в свежие патенты, ведь менять цеха будет дороже, чем строить новые. Обильное государственное стимулирование предполагало преодолеть «точку невозврата» в отдельно взятых разных странах. Всё это позволило запустить цепь событий, вследствие которых электромобиль должен был перейти из мечты в повседневность.

Не имей сто рублей…

Государства, конечно, берут на себя часть рисков, но в конечном счете основные потери несут промышленники. К началу 2012 года негативные тенденции в области электромобилестроения стали очевидны. Небольшие компании испытывали проблемы с масштабированием производства и созданием союзов с автопроизводителями. Несмотря на поддержку стомиллионными грантами, они терпели банкротства одно за другим. Автоконцерны доверяли, как правило, соразмерным им химическим гигантам, способным разделить и радости роста, и горечь потерь. Производитель батарей — это не просто поставщик одного из комплектующих: фактически, это равный партнер для автоконцерна. Ведь батарея — это, по сути, половина стоимости электромобиля.

Скрытый под капотом вместо сердца холодный литиевый аккумулятор состоит зачастую из точно таких же ячеек, какие встроены в наши гаджеты. Химические концерны типа LG Chem, Panasonic или Samsung также не создатели, а сборщики конечного продукта. Литиевый элемент питания состоит из более чем десяти компонентов. Каждый компонент — катод, анод, связки, сепаратор, электролит, растворитель, подложки, фольги, корпуса — производится отдельными независимыми компаниями, зачастую поставляющими свой продукт различным конкурентам. Поставщики сырья и компонентов образуют сложную цепь, завершающуюся отделами исследовательских разработок, контроля качества и т. п. Создать такую цепь с нуля невероятно сложно. Американские производители материалов составляли несколько звеньев, но не смогли достроить всю цепочку до конца. Судьба российского «Лиотеха», поддержанного Роснано, также была предопределена этими факторами. Напротив, успеха в производстве EV-батарей достигли те, кто включил в цепь еще одно звено в виде либо совместных производств, либо новых заводов, ориентированных на поддержку конкретной модели.

…а имей сто друзей

Собственно, сложность производственной сети электромобиля, независимость множества агентов, участвующих в его создании, обладает существенным недостатком — невозможностью подогнать сразу все элементы друг к другу. Долгое время разработчики стремились достичь «идеальных» характеристик литиевой батарейки, чтобы она была мощной, компактной, имела высокую емкость и быстро заряжалась… и, конечно, чем дешевле ее производство, тем лучше. Так, половину стоимости ячейки составляют материалы катода и анода, и при сочетании никель-кобальт-марганцевого катода и углеродного анода батарейка почти достигала совершенства! Но, к сожалению, этот идеал был таков только для мобильных устройств. Для батареи электромобиля требовались и более высокие напряжения, и больший срок службы, и высокоскоростная зарядка. Кроме того, никак не решался вопрос о безопасности транспортного средства. Однако для качественного повышения всех характеристик необходимо не только заменить электроды, но и модифицировать электролит, поскольку стандартные электролиты работают в ограниченном «окне стабильности» напряжений, а значит, нужно модифицировать сепаратор и проводящие контакты. Такое решение проблемы неосуществимо без изменения рабочих процессов тысяч предприятий.

Проблемы оптимизации батареи решаются только путем вовлечения новых агентов в инновационную сеть. Так, проблема быстрой зарядки легла на плечи электрозаправок, и тогда были предложены мощностная зарядка SuperCharger и технология замены батареи BetterPlace. Издержки короткого срока службы аккумуляторов брали на себя авто-производители и власти, продавая в собственность только «руль-и-колеса», а батарею выделяя в аренду. При неизбежном падении емкости батареи через три года потребитель мог ее заменить безболезненно для своего бюджета. Вопрос о безопасности был решен путем сравнения EV с ДВС-автомобилем, также охотно взрывающимся при серьезном соударении, и к наблюдению за новинками были подключены чиновники.

Вот — новый поворот

Крупные корпорации, развернув мощности, осознали недостаток спроса на электромобильные аккумуляторы. Возникшее перепроизводство вновь «вскосматило» литиевую ячейку. Ей было найдено приложение в системах накопления электроэнергии (СНЭЛ) различной мощности. Бытовые СНЭЛ 20 кВт·ч позволяют не только запасать дешевую «ночную» электроэнергию, но при сочетании с домашней солнечной батареей даже продавать в сеть дорогую «зеленую» энергию, вырабатываемую в дневное время суток. Средние СНЭЛ 200 кВт·ч планируется использовать на электрозаправках для ускорения зарядки и возможности обслуживания нескольких электромобилей. Наконец, промышленные СНЭЛ емкостью 1-2 МВт·ч позволяют создавать автономные энергосети на островах или удаленных территориях. С помощью таких мегаваттных СНЭЛ можно снизить нагрузку на энергосети и защитить промышленные предприятия, в том числе атомные станции, от перебоев в энергосети. С одной стороны, одна такая промышленная система эквивалентна ста электромобилям и позволяет освоить избыточное производство. С другой стороны, СНЭЛ не обязаны быть компактными и мощными, от них ожидают долговечности и надежности в эксплуатации. Чтобы удовлетворить таким требованиям, требуются все-таки иные батареи, а значит, изменения в процессе производства. Однако в данном случае речь идет только об одном-двух элементах. Например, при сочетании железофосфатного катода и титанатного анода и неизменности иных компонентов литиевая батарейка становится практически бессмертной. Низкое напряжение и невысокая емкость при использовании в СНЭЛ не играют роли, зато скорости заряда и разряда практически молниеносны. Надо заметить, что эти материалы были получены и исследованы благодаря гонке в поисках новых безопасных материалов для электромобиля. Применение им было найдено в городском электротранспорте, перемещающемся неспешно и на небольшие расстояния. Однако эти материалы внезапно обрели совсем иное звучание в приложениях систем накопления энергии.

Кто не рискует…

Как видно, рождение инновации обусловлено удачным сочетанием множества не связанных между собой факторов — это словно вихрь, в который вовлечены десятки стран, сотни компаний, тысячи патентов, миллионы умов, миллиарды долларов. Инновация — это всегда риск, и, как пели во времена космической гонки, «удача — награда за смелость». В XX веке такие риски охотно брали на себя сверхдержавы, поскольку альтернативой было потенциальное поражение в «холодной войне». Но сегодня никто не готов взять весь огонь на себя, и единственный вариант — это распределить риск среди множества агентов глобального мира.

Мечта о безвыхлопном авто претерпела взлет и крах, и тем не менее электромобиль серийного производства все-таки выехал на городские улицы, пусть и не так триумфально, как того желали ученые, политики и бизнесмены. На сегодняшний день по дорогам планеты колесят более 700 тыс. электромобилей. «Точка невозврата» для электромобиля осталась позади. Но даже не это главное, потому что это еще не конец.

Литиевая батарейка, предложенная сорок лет назад Уиттингемом, всё та же и каждый год другая. Она незаметно модифицируется, улучшается, усложняется. Она уже незаметно изменила нас, вложив нам в руки энергоемкие смартфоны и планшеты, обеспечила питание GPS-спутникам и беспроводным шуруповертам. Сегодня аккумулятор EV легким движением руки превращается в бытовую СНЭЛ, а электрозаправки могут служить резервной подстанцией городской сети. Возможность накопления электроэнергии открывает новые аспекты в «зеленой» энергетике и использовании «умных сетей». Ей еще не раз предстоит изменить мир, населив его электромобилями, квадролетами и роботами. Беспроводная зарядка открывает литий-иону путь для внедрения в медицину и биотехнологию. Создавать будущее, ломать стереотипы обходится дорого, и это не под силу ни одной фирме, ни государству, только всем вместе. Инновация объединяет разрозненные силы, вовлекает в общий процесс, провоцирует на создание всё новых и новых инноваций. В растущей сети протекает конвергенция вещей, идей и людей. Только так и открываются новые миры.