Проект направлен на разработку аккумуляторов нового типа и выполняется по двум областям знаний: 03 Химия и науки о материалах; 08 Гуманитарные и социальные науки.
Коммерчески доступные литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) на основе неорганических электродных материалов показывают привлекательные рабочие характеристики как при комнатной температуре, так и при температурах до +60˚С. Однако производство неорганических катодных материалов крайне энергозатратно и наносит существенный вред окружающей среде. Например, производство 1 Втч емкости ЛИА требует 328 Втч энергии и приводит к выбросу в атмосферу 110 г. СО2, т.е. при производстве батареи для электроавтомобиля с энергией 80 кВтч выделяется до 9 тонн СО2. Кроме того, при отрицательных температурах резко снижается как разрядная емкость, так и мощность коммерчески доступных ЛИА. На этом фоне одной из текущих тенденций в разработке электрохимических источников тока является разработка нового поколения аккумуляторов на основе органических активных материалов, которые производятся из дешевого сырья и не требуют высокотемпературного синтеза. Ещё одним важным преимуществом органических материалов является способность сохранять эффективность при низких температурах, что может служить их конкурентным преимуществом на рынке. Всё это соответствует целям Энергетической стратегии Российской федерации до 2035 года, принятой 9 июня 2020 г. согласно Распоряжению № 1523-р, среди которых особенно выделяется уменьшение негативного воздействия отраслей топливно-энергетического комплекса на окружающую среду и адаптацию их к изменениям климата, в результате чего предлагаемый проект сможет внести существенный вклад в переход к низкоуглеродному развитию российской экономики и противодействию изменениям климата.
Активная разработка вариантов создания органических аккумуляторов началась в последние десять лет, и на данный момент не выработаны количественные критерии оценки возможности коммерциализации конечного продукта. Оптимизация состава таких аккумуляторов зависит от рыночной ниши, на которую нацелено их применение. Выбор этой ниши затруднён невозможностью прямого сравнения прототипов органических аккумуляторов с существующими литий-ионными системами. Анализ литературы показывает превосходство одних над другими по одному набору эксплуатационных характеристик, но отставание по другому набору параметров.
Структурное разнообразие органических энергозапасающих материалов предоставляет широкие возможности для их модификации, направленной на повышение тех или иных показателей. Но характер таких модификаций зачастую выбирается исследователями без технико-экономического обоснования целесообразности улучшения характеристик новых материалов. Отсутствие технико-экономического обоснования приводит к ухудшению комплекса эксплуатационных характеристик не смотря на улучшение отдельных параметров или к таргетированию изменений на несущественные для конечного пользователя характеристики. Например, улучшение одного из эксплуатационных параметров зачастую достигается ценой кратного удорожания производства материала.
Для создания коммерциализуемой технологии органических аккумуляторов необходимо чёткое понимание потребностей рынка, рыночного потенциала продукта, особенностей спроса, характера конкуренции, перечня потенциальных заказчиков, возможных источников финансирования, обоснования сфер применения и основных целевых сегментов. Необходимо проведение маркетинговых исследований для определения потенциального, фактического и доступного объема рынка. Не менее важной задачей является и определение потенциальной производственной базы, способной организовать производство продукции, вариантов цепочек поставок, а также анализа себестоимости производства материалов для обоснования коммерческой эффективности инвестиционных проектов по развитию предлагаемых технологий. Поэтому для получения результатов, обладающих как научной новизной, так и практической значимостью, причем с минимальным временным горизонтом внедрения, необходима совместная работа специалистов в области химического материаловедения, инженерных наук, с одной стороны, и в области экономики, маркетинга и финансов - с другой
В рамках проекта будет проведено комплексное междисциплинарное исследование, включающее в себя НИОКР по разработке органических энергозапасающих материалов, технико-экономическое обоснование и комплекс количественных критериев для оценки возможности коммерциализации разработанных продуктов. Конечной целью проекта является готовый прототип аккумулятора на базе органических энергозапасающих материалов, обладающий такими стоимостными, технико-экономическими и маркетинговыми параметрами, которые позволили бы обеспечить его коммерциализацию в течение ближайших 3-5 лет, а также разработка стратегии выхода на рынок органических энергозапасающих материалов, обоснование коммерческой эффективности инвестиционного проекта рассматриваемой технологии с учетом энерго- и ресурсосбережения.
При выполнении проекта планируется использовать как известные, так и новые материалы на основе редокс-, проводящих- и редокс-проводящих полимеров. Уникальной особенностью проекта является экономическое обоснование выбора целевых показателей эффективности работы аккумуляторов и анализ соотношений стоимость-показатель с использованием данных маркетинговых исследований и стоимостной оценки объема инвестиций и себестоимости производства различных масштабов. Такой подход позволит заранее определить целевые энергозапасающие и стоимостные характеристики материалов и существенно сузить объем экспериментальных исследований, необходимых для достижения результата. Особенность данных исследований обусловлена уникальностью задачи в рамках создания наукоемкого продукта и определения основных рыночных сегментов, включающего выявление наиболее приоритетных и целевых сегментов с учетом специфики сфер применения. Исследования предполагают интервью с представителями промышленности и отраслевыми экспертами, участие в профильных индустриальных мероприятиях, систематизацию существующих альтернатив предлагаемой технологии, выявление взаимосвязи между функциональными и стоимостными характеристиками технологии, а также разработку стратегии выхода на рынок нового продукта с обоснованием его коммерческой и экологической эффективности. В результате конечный продукт будет наиболее полно соответствовать запросам рынка в его конкретной целевой нише, а также Энергетической стратегии Российской до 2035 года. Это обеспечит актуальность и практическую значимость проекта.
Новизна ожидаемых результатов проекта определяется тем, что до сих пор согласованный технико-экономический и маркетинговый подход к созданию новых органических электродных материалов не применялся на столь ранних стадиях разработки. Применение такого междисциплинарного подхода (технико-экономический и маркетинговый) позволит на проектном уровне сформировать цепочку создания спроса, исходя из потребностей рынка и с учетом параметрического ряда инновационного продукта. Главным же элементом новизны, определяющим значимость ожидаемых результатов, будут планируемые к синтезу энергозапасающие полимеры, которые будут получены в РФ. Это позволит обеспечить выполнение целевых показателей проекта с точки зрения научных публикаций.
4.3.7. Обоснование целесообразности выполнения заявки - в данной графе указываются следующие сведения:
4.3.7.1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.
Мировые тенденции по увеличению доли электрического транспорта, снижению роли углеводородов в энергетической цепочке, сокращению выбросов СО2, росту объемов использования альтернативных источников энергии с нестабильным уровнем генерации и цифровизации практически всех областей жизни с использованием мобильных электронных устройств приводят к возрастанию значимости технологий хранения электроэнергии, таких, как аккумуляторы и другие электрохимические системы. На данный момент литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) на основе неорганических электродных материалов представляют собой наиболее эффективную технологию электрохимического хранения энергии, доступную потребителю. Однако производство неорганических катодных материалов крайне энергозатратно и наносит существенный вред окружающей среде. Например, производство 1 Втч емкости ЛИА требует 328 Втч энергии и приводит к выбросу в атмосферу 110 г. СО2, т.е. при производстве батареи для электроавтомобиля с энергией 80 кВтч выделяется до 9 тонн СО2. Вместе с эмиссией парниковых газов при производстве электроэнергии для заряда аккумуляторов это уменьшает экологическую эффективность использования ЛИА по сравнению с ископаемым топливом. Кроме того, существует ряд фундаментальных ограничений производительности литий-ионных систем. В частности, они хорошо сохраняют свою эффективность как при комнатной температуре, так и при температурах до +60˚С. Однако, при отрицательных температурах ЛИА резко теряют как энергию, так и мощность (Mizushima et al., 1980, 10.1016/0025-5408(80)90012-4; Dahn et al., 1994, 10.1016/0167-2738(94)90415-4). Например, при температуре −40˚С коммерческие ЛИА сохраняют только 10% емкости от емкости при комнатной температуре (Ellis et al., 2007, 10.1038/nmat2007; Anishchenko et al., 2016, 10.1016/j.electacta.2015.11.044).
В литературе ранее приводились данные о том, что резкое снижение емкости электродных материалов при низких температурах связано с замедлением процесса десольватации/сольватации ионов в процессах их интеркаляции/деинтеркаляции в материал электрода, которые происходят при заряде заряда/разряде аккумулятора (Dong et al., 2018, 10.1016/j.joule.2018.01.017; Xu et al., 2019, 10.1016/j.ensm.2019.04.033). Хорошо известно, что для интеркаляции иона лития в материал кристаллического неорганического электрода этот ион должен быть полностью десольватирован. В частности, было показано, что процесс десольватации лития на границе раздела фаз электрод/электролит лимитирует реакцию заряда-разряда ЛИА (Abe et al., 2005, 10.1149/1.2042907; Okoshi et al., 2013, 10.1149/2.074311jes). Очевидно, что резкое снижение скорости десольватации лития при низких температурах в результате будет приводить к значительному снижению и мощности катодного материала ЛИА, а значит, и его удельной ёмкости при не слишком низких величинах разрядного тока. Такое резкое снижение емкости в диапазоне отрицательных температур ограничивает применение ЛИА в северных регионах, в условиях высокогорья, а также в космосе (Park et al., 2011, 10.1039/C0EE00559B). Кроме того, существует целый ряд проблем с безопасностью ЛИА. Хотя производители таких устройств утверждают, что аккумуляторы безопасны, использование в них активных окислителей и восстановителей вместе с органическими электролитами несёт в себе риск возгорания и взрыва, что может привести к разрушениям и травмам, степень тяжести которых варьируется от небольших поверхностных ожогов до смерти. По данным Национальной системы оповещения о пожарах США (NFIRS), в период с 1999 по 2013 год было зарегистрировано 1013 пожаров, вызванных литий-ионными аккумуляторами. За следующий пятилетний период, вплоть до февраля 2018 года, Комиссия США по безопасности потребительских товаров сообщила уже о 25 тысячах случаев возгорания литий-ионных аккумуляторов в различных устройствах (Lee).
В январе 2020 года Федеральное управление гражданской авиации сообщило о 280 случаях возгорания на борту пассажирских самолетов, произошедших с 2006 года (Federal Aviation Administration. Events with Smoke). Большая часть была вызвана дефектом в аккумуляторах смартфонов Galaxy Note 7, из-за чего в 2016 году управление гражданской авиации запретило перевозить этот смартфон на борту самолета (Report, Available From: Https://Www.Faa.Gov/News/Updates/?Newsid=86685.). Из-за потери доверия потребителей к уровню безопасности их смартфонов убытки компании Samsung в 2017 году составили 17 млрд. долларов. Таким образом, опасные ситуации из-за неправильной работы ЛИА или с ЛИА возникали и продолжат возникать.
Совокупность недостатков литий-ионной технологии приводит к необходимости поиска принципиально новых типов аккумуляторов. Создание аккумуляторов на основе органических материалов является одним из наиболее перспективных путей развития электрохимических источников тока, позволяющим преодолеть сразу несколько основных технологических ограничений литий-ионной технологии. Основное преимущество органических материалов состоит в более высокой скорости переноса заряда благодаря гибкой пористой структуре сформированных на их основе электродов (Dong et al., 2018, 10.1016/j.joule.2018.01.017). Благодаря этому они могут обратимо деформироваться при интеркаляции и деинтеркаляции зарядкомпенсирующих ионов, позволяя вхождение ионов вместе с сольватной оболочкой. Это решает фундаментальную проблему замедленной десольватации, ограничивающую низкотемпературную производительность неорганических материалов. Кроме того, для органических материалов не характерен «тепловой разгон», приводящий к возгоранию ЛИА, при этом производство органических материалов обладает хорошей энергоэффективностью, в них не содержится токсичные или редкие металлы, а утилизация отработанных органических аккумуляторов может проводиться вместе с бытовым мусором.
В настоящее время определены общие химические подходы к повышению тех или иных энергозапасающих свойств, что позволяет получать материалы с различными совокупными эксплуатационными характеристиками. Однако из-за того, что эти свойства чаще всего не могут быть улучшены одновременно, и улучшить одни свойства удается только ценой ухудшения других, возникает проблема определения набора свойств, оптимального для коммерциализации материала в той или иной нише рынка. Для решения этой проблемы необходимо выработать технико-экономические критерии коммерциализации энергозапасающих устройств, которые позволили бы на основании количественных параметров рынка и себестоимости производства оценивать коммерческий потенциал продукта.
Проблемы вывода на рынок новых технологий определяются следующими аспектами:
• сформировавшимися рутинами в рамках замещаемой технологии;
• особенностями и спецификой производственных процессов в компаниях, составляющих целевую аудиторию;
• взаимозаменяемостью технологий и встраиваемостью их в конечный продукт;
• потребностью в инвестициях для создания и коммерциализации новой технологии;
• наличием целого спектра разработок у компаний-конкурентов
• Отсутствием формального описания не только потенциальных заказчиков, но и всей цепочки создания и использования продуктов на основе разрабатываемой технологии
• недостаточной проработкой экологических аспектов данной технологии, которые могли бы служить важным фактором ее востребованности заказчиками из разных стран
• сложностью рыночной оценки технологии в силу совокупности разнонаправленных параметров (функциональные свойства и стоимостные характеристики)
• возможными рисками, обусловленными нелинейными изменениями внешней среды.
В ходе реализации проекта будет проведен детальный анализ этих аспектов и разработана стратегия вывода на рынок нового продукта на основе предлагаемой технологии.
Экономическое обоснование разработки и коммерциализации технологии включает:
• Классификацию продуктов (товаров, оборудования, технологий), использующих предлагаемую технологию, с функциональными и количественными параметрами
• Выявление потенциальных заказчиков, как в коммерческом, так и в государственном секторе, и оценка их потребностей
• Определение оптимального сочетания рыночных, функциональных, стоимостных и экологических характеристик продукта
• Анализ рынка/рынков предлагаемой технологии и определение количественных показателей спроса, предложения, долей рынка участников, барьеров входа и особенностей государственного регулирования
• Прогноз потребности и развития технологий энергосбережения
• Определение потенциальных институциональных инвесторов на ранних стадиях проекта
• Формирование плана организации производства и поставок, финансового плана инвестиционного проекта по производству и реализации продуктов, использующих технологию
• Сравнительный анализ использования технологий со схожими характеристиками с позиций влияния на окружающую среду
• Разработку стратегии вывода на рынок нового продукта на основе предлагаемой технологии
4.3.7.2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.
Широкомасштабное использование неорганических электродных материалов на основе переходных металлов во всех типах коммерческих аккумуляторов является, в некоторой степени, тупиковым путем развития энергозапасающих устройств из-за ограниченных объемов сырья, загрязнения окружающей среды и большого потребления энергии как при синтезе материалов, так и при переработке отработавших устройств (Poizot and Dolhem, 2011, 10.1039/C0EE00731E)
Можно выделить несколько типов аккумуляторов, в зависимости от применяемой технологии: механические, электрические, термальные, электрохимические, а последние могут быть основаны на неорганических или органических материалах.
В современных исследованиях (Huang et al, 2021, 10.20517/energymater.2021.09) отмечается, что использование органических материалов в энергозапасающих устройствах является более безопасным и дешевым, чем неорганических. Например, органический материал для изготовления катода (organic cathode material) демонстрирует мощность 336 mAh g-1 и плотность энергии 186.7 Wh kg-1, и более 1000 зарядных циклов в течение полезного использования.
Важным преимуществом органических материалов является их биоразлагаемость, то есть практически нулевые выбросы в окружающую среду, что обеспечивает экологичность батарей на основе данной технологии.
Для широкого использования аккумуляторов на основе определенной технологии емкость в расчете на единицу стоимости является более важной, чем емкость на единицу массы. Так, исследователи (Годяева и др., 2021, 10.18500/1608-4039-2021-21-2-59-85) отмечают, что стоимость самых дешевых ванадиевых батарей составляет не менее $350 на кВт·ч емкости, в то время как для широкого внедрения она должна составлять около $100 за кВт·ч.
Кроме того, практическая производительность современных неорганических материалов приблизилась к теоретической, что означает невозможность дальнейшего существенного улучшения их эксплуатационных характеристик. В частности, упомянутая в предыдущем разделе проблема замедленной десольватации ионов лития при пониженных температурах (Dong et al., 2018, 10.1016/j.joule.2018.01.017; Xu et al., 2019, 10.1016/j.ensm.2019.04.033) принципиально не может быть решена с использованием кристаллических неорганических материалов. В качестве альтернативы для экологичных аккумуляторов нового поколения предлагается использовать электроактивные органические соединения или полимеры с обратимыми окислительно-восстановительными реакциями. Эти материалы обладают высокой теоретической мощностью, безопасностью, устойчивостью, экологичностью и потенциально низкой стоимостью (Poizot and Dolhem, 2011, 10.1039/C0EE00731E; Liang et al., 2012, 10.1002/aenm.201290037). Ряд известных органических систем уже превосходит неорганические электродные материалы с точки зрения кинетики реакций в широком диапазоне температур, структурного разнообразия, гибкости и технологичности. При этом, в идеале, органические электродные материалы могут быть извлечены напрямую или синтезированы из биомассы (Chen et al., 2008, 10.1002/cssc.200700161; Tarascon, 2008, 10.1002/cssc.200800143; Milczarek and Inganas, 2012, 10.1126/science.1215159; Reddy et al., 2012, 10.1038/srep00960).
Из-за коммерческого успеха неорганических электродных материалов и посредственных электрохимических характеристик ранних органических энергозапасающих систем, долгое время органическим электродным материалам уделялось гораздо меньше внимания по сравнению с неорганическими. Однако в течение последних десятилетий было предложено множество различных новых органических материалов с более высокими энергозапасающими характеристиками. В результате, по комплексу электрохимических характеристик, таких как удельная энергия, мощность и устойчивость к циклическим нагрузкам, современные органические материалы сопоставимы или даже превосходят традиционные неорганические катоды (Liang et al., 2012, 10.1002/aenm.201290037). Однако на данный момент нет коммерческих решений по компоновке органических материалы в энергозапасающее устройство, обладающее достаточно высокой для практического применения объёмной и гравиметрической плотностью энергии.
Электрохимические технологии аккумулирования электроэнергии могут быть сопоставлены по следующим функциональным характеристикам:
• Срок службы, лет
• Количество зарядных циклов
• Удельная энергия на единицу массы и объема
• Удельная мощность на единицу массы и объема
• Безопасность использования (устойчивость к низким и высоким температурам, частота коротких замыканий и взрывов)
В последнее время к ним добавились характеристики экологичности:
• Возможность и стоимость утилизации
• Выбросы СО2 в процессе производства, использования и утилизации
Для определения потенциала коммерциализации технологии следует учитывать рыночные параметры:
• Емкость рынка использования технологии
• Диапазон конкурентоспособной рыночной цены
• Стоимость на квт.ч
• Стоимость использования аккумулятора (издержки зарядки, замены)
• Инвестиции в мощности по производству
• Стоимость тиражирования производства
Разные технологии энергохранения обладают разными характеристиками:
Storage Type Power Density (kW/m3) Energy Density (kWh/m3) Roundtrip Efficiency (%) Capital Costs ($/kW) Main Disadvantages
Hydrogen fuel cell >500 500–3000 20–50 500–10,000 Low efficiency
Magnetic 300–4000 0.2–2.5 95–97 200–10,000 Large area requirements
Flywheel 5000 20–80 80–90 300–2200 Noise and safety issues
Li-ion battery 1300–10,000 300–750 85–98 1200–4000 Life cycle dependence on discharge level
Supercapacitor 15–4500 10–30 90–97 100–515 Interdependence of cells
Pumped hydro 0.5–1.5 0.5–1.5 70–80 500–4600 Location constraints
Compressed air 0.5–2 3–6 60–90 500–1500 Variable efficiency
Источник: (Nozari et al, 2022, 10.1016/j.est.2022.103972)
Необходимым условием коммерциализации аккумуляторов является оптимальное сочетание вышеуказанных параметров, а создание работающего востребованного прототипа такого аккумулятора является важной научной задачей, решение которой необходимо для развития новых технологий энергосбережения.
Реализация поставленных целей требует совместной работы электрохимиков, материаловедов и экономистов, чтобы учитывать как фундаментальные ограничения химии материалов, так и настоящие и будущие потребности рынка с учетом развития новых технологий.
4.3.7.3. Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен
проект, ее масштаб.
Целью проекта является создание макета органического аккумулятора для работы в широком диапазоне температур с использованием ранее разработанных в нашей научной группе катодных материалов и специально подобранных анодных материалов. Для этого будут решены следующие задачи:
1. Анализ рынка и соответствие целевых параметров аккумулятора рыночным потребностям:
a. Анализ институциональной базы и нормативно-правовых актов, в том числе требований и нормативов ресурсо- и энергоэффективности (Энергетическая стратегия РФ до 2035 года, Стратегия РФ с низкоуглеродным развитием до 2050 года, Федеральный закон Об ограничении выбросов парниковых газов, Постановление РФ о нормативах утилизации отходов от использования товаров).
b. Отраслевой анализ, в том числе потенциальных конкурентов и ключевых игроков, объема рынка, инновационных и конкурентных стратегий.
c. Определение ключевых параметров аккумулятора в соответствии с потребностями рынка.
d. Разработка сценариев выхода на рынок нового продукта и обоснование эффективной стратегии с учетом экономической и экологической целесообразности.
2. Формулировка требований к конструкции и материалам аккумулятора, способного занять часть рынка литий-ионных аккумуляторов. Синхронизация экономических и материаловедческих представлений о материалах аккумулятора, одновременно доступных для синтеза и обладающих перспективами практического использования.
3. Синтез удовлетворяющих базовым экономическим требованиям редокс-проводящих полимеров. Первоначально предполагается использовать полимеры с активными группами на базе ТЕМПО и хиноновых фрагментов, однако план может быть скорректирован по результатам первого, аналитического, этапа проекта.
4. Изготовление катода и анода по новой технологи с использованием сульфированных углеродных наноматериалов, обеспечивающей характеристики электродов, предложенные авторами проекта на основе опорного маркетингового исследования.
5. Сборка и тестирование прототипов аккумулятора на основе ячеек типономинала CR 2032. Подбор и оптимизация содержания активных материалов в катоде/аноде для получения удовлетворяющей требованиям коммерческой эффективности и экологической безопасности аккумулятора продукции.
6. Масштабирование. Отработка технологии соединения электродов между собой, перекладывание сепаратором, приваривания токовыводов, герметизации корпуса для изготовления батарей в гибком корпусе.
7. Разработка стратегии выхода на рынок инновационного продукта
4.3.7.4. Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости
решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов.
Новизна ожидаемых результатов проекта определяется тем, что до сих пор комплексный подход к созданию новых органических электродных материалов, включающий технико-экономический анализ не применялся.
Для реализации проекта требуется комплексное обоснование обоснование энерго- и ресурсоэффективности новой технологии в условиях ужесточающийся требований со стороны государства и общества по вопросам экологической политики. Необходимо предложить основные параметры производственной и продуктовой стратегии, отразить решения в виде укрупненной финансовой модели проекта.
Среди отдельных элементов новизны можно отметить:
• Проведение маркетингового исследования и оценка востребованности предлагаемого продукта в средне- и долгосрочной перспективе с учетом трендов на устойчивое развитие и замкнутые цепочки поставок
• Оценка перспективности и бенчмаркинг продукции с учетом существующих и потенциальных конкурентов, трендов и прогнозов развития отрасли.
• Разработка дизайна и укрупненных параметров предполагаемой цепочки поставок для производства, продаж и обслуживания продукции.
• Проведение оценки экономической целесообразности запуска и масштабирования производства продукции на основе по степени производственной кооперации с учетом характеристик проекта.
• Разработка параметрической модели нового продукта, учитывающей его функциональные, стоимостные и экологические характеристики и позволяющей оптимизировать дизайн.
• Прогноз развития основных сегментов рынка продукта (микроустройства, электрические транспортные средства и системы распределенной генерации энергии)
Дополнительно новизна заявленного проекта обеспечивается следующими факторами:
1. Планируемые к получению редокс-проводящие полимеры либо новые, либо получены впервые в нашей научной группе ранее.
2. Заявленный подход к достижению высоких практических загрузок электродных материалов путем использования сульфированных углеродных наноматериалов не применялся для изготовления материалов на основе редокс-проводящих полимеров.
3. Не проводилось систематических исследований совместимости органических катодных и анодных материалов, а также пост-литиевых электролитов в одной ячейке.
Достаточно богатая библиотека NiSalen комплексов и других проводящих скелетных полимеров, а также широкий спектр синтетических подходов к объединению ТЕМПО, хиноновых и проводящих фрагментов позволяет производить тонкую настройку структуры полученных материалов и обеспечивает достижимость создания материалов с заданными свойствами в рамках задачи по разработке полностью органических батарей. Синтетическая новизна также позволит обеспечить выполнение целевых показателей проекта с точки зрения научных публикаций.
О достаточной оснащенности научной группы и достижимости задачи по компоновке компонентов разработанных в проекте батарей свидетельствует опыт исследования как водных (Vereshchagin et al., 2019, 10.1016/j.electacta.2018.11.149), так и безводных энергозапасающих систем (Alekseeva et al., 2017, 10.1016/j.electacta.2016.12.135; Beletskii et al., 2019, 10.1134/s1023193519030030; Chepurnaya et al., 2020, 10.1515/pac-2019-1218), а также наличие в распоряжении руководителя проекта прецезионного исследовательского оборудования и линии сборки и тестирования ячеек пуговичного и полимерного типов, уже использующихся для подготовки практически направленных публикаций (Eliseeva et al., 2017, 10.1002/macp.201700361).
Научный коллектив экономистов рабочей группы проекта имеет публикации по темам маркетинга, разработки новых бизнес-моделей, обоснования инвестиционных проектов, формирования стратегии, применения цифровых технологий, низкоуглеродного развития индустриального сектора, циркулярной экономики и замкнутых цепочек поставок в достижении целей устойчивого развития. Члены рабочей группы принимали участие в реализации консалтинговых проектов по выявлению рыночного потенциала продукта и разработке стратегии, оценке эффективности инвестиционных проектов, привлечению финансирования для производственных проектов на разных стадиях их реализации, определению направлений цифровой трансформации в компаниях, экономическому обоснованию законопроекта по заказу Государственной Думы РФ.
4.3.7.5. Современное состояние исследований по данной проблеме.
Помимо проблемы достижения приемлемых значений емкости неорганических материалов при низких температурах, описанной в п. 4.3.7.1., существует другая проблема, которая встает все более остро в последние несколько лет. Добыча полезных ископаемых для производства неорганических катодных материалов является разрушительной для окружающей среды, требует огромного количества энергозатрат и не соответствует нормам экологичности и выбросов CO2 в атмосферу (Poizot and Dolhem, 2011, 10.1039/C0EE00731E; Larcher and Tarascon, 2015, 10.1038/nchem.2085). Доступность необходимых для создания современных аккумуляторов элементов не может быть просто оценена из содержания их в земной коре, и их рассеянность в горных породах делает добычу все более энергозатратной и дорогостоящей (Vesborg and Jaramillo, 2012, 10.1039/c2ra20839c). После извлечения руд, необходима их транспортировка, несколько этапов очистки для получения исходных соединений, после чего, для получения электродного материала, проводится высокотемпературный синтез (T ≈ 600 °C). На этом этапе необходимо учесть соответствующие данные из оценки жизненного цикла производства – которое учитывает состояние окружающей среды, а также затраты на энергию, которая требуется для производства конечного продукта (Peters et al., 2017, 10.1016/j.rser.2016.08.039). В среднем для производства 1 Втч емкости ЛИА требуется 328 Втч энергии химического производства, при этом выбрасывается 110 г экв. СО2 (Peters et al., 2017, 10.1016/j.rser.2016.08.039). Результаты аналогичных исследований для ряда аккумуляторов других типов также подтверждают как парниковые выбросы(Majeau-Bettez et al., 2011, 10.1021/es103607c; Hiremath et al., 2015, 10.1021/es504572q) при производстве, так и экологический вред за счёт токсичности компонентов (Nordelöf et al., 2014, 10.1007/s11367-014-0788-0; Peters et al., 2017, 10.1016/j.rser.2016.08.039).
В настоящее время наиболее распространенными являются литий-ионные аккумуляторы, однако они приближаются к технологическому пределу емкости. Неоспоримыми преимуществами литий-ионных батарей являются: возможность производства практически любого размера и формы, низкий уровень саморазрядки, отсутствие эффекта памяти, небольшая масса по сравнению с эквивалентами, относительная безопасность по отношению к окружающей среде.
К недостаткам можно отнести нагревание поверхности, ускоряющее потерю емкости, относительно высокое внутреннее сопротивление, возрастающее в течение периода использования. (Ahmed et al., 2019 10.11591/ijece.v9i3.pp1553-1560)
Однако самым существенным недостатком является высокая стоимость, половину которой составляет стоимость катода. https://about.bnef.com/blog/battery-pack-prices-fall-to-an-average-of-132-kwh-but-rising-commodity-prices-start-to-bite/
EV Battery Cell Component % of Cell Cost
Cathode 51%
Manufacturing and depreciation 24%
Anode 12%
Separator 7%
Electrolyte 4%
Housing and other materials 3%
И хотя средняя цена литий-ионной батареи для электрического транспортного средства снизилась с $1,200 за кВт-ч в 2010 году до $132 за кВт-ч в 2021 (https://elements.visualcapitalist.com/breaking-down-the-cost-of-an-ev-battery-cell/), видимо, потенциал снижения небольшой.
Согласно отчету NREL, стоимость хранения энергии по 3 траекториям (оптимистической, базовой и пессимистической) составит $143/kWh, $198/kWh, и $248/kWh к 2030 году и $87/kWh, $149/kWh, и $248/kWh к 2050 году соответственно (Cole, et al., 2021). Похожие оценки дают (Mauler et al., 2021, 10.1039/d1ee01530c). Таким образом, приемлемая для массового рынка стоимость хранения 1 кВт-ч $100 с большой вероятностью не будет достигнута к 2030 году даже при оптимистичной траектории развития технологий.
Энергоемкость производства аккумуляторов в основном продиктована энергозатратностью высокотемпературного неорганического синтеза (Vesborg and Jaramillo, 2012, 10.1039/c2ra20839c; Larcher and Tarascon, 2015, 10.1038/nchem.2085). На этом фоне одной из текущих тенденций в разработке электрохимических источников тока является разработка органических аккумуляторов, не требующих высокотемпературного синтеза материалов и содержащих в своём составе доступные элементы (Ellis and Nazar, 2012, 10.1016/j.cossms.2012.04.002; Muñoz-Márquez et al., 2017, 10.1002/aenm.201700463; Deng et al., 2018, 10.1002/aenm.201701428). Идея использования органических материалов в качестве катодов или анодов для энергозапасающих устройств берет свое начало в 70х годах прошлого века в работах по исследованию редокс-активности проводящих полимеров (Chiang et al., 1977, 10.1103/PhysRevLett.39.1098; Shirakawa et al., 1977, 10.1039/c39770000578; Chiang et al., 1978, 10.1063/1.90166; Shirakawa, 1995, 10.1016/0379-6779(94)02340-5) и их способности к допированию в окисленном и восстановленном состоянии (Ĉaja et al., 2019, 10.1149/1.2115400; Nigrey et al., 2019, 10.1149/1.2127704). Это, в свою очередь, привело к первым попыткам создания прототипов органических батарей (Miller, 1993, 10.1002/adma.19930050918; Novák et al., 1997, 10.1021/cr941181o).
В настоящее время органические материалы изучаются как более экологичная альтернатива существующим энергозапасающим технологиям (Poizot and Dolhem, 2011, 10.1039/C0EE00731E; Liang and Yao, 2018, 10.1016/j.joule.2018.07.008). Органические материалы, состоящие по большей части из распространенных элементов (C, H, O, N, S) представляют интерес ввиду доступности исходных веществ (Vassilev et al., 2010, 10.1016/j.fuel.2009.10.022). Еще одним преимуществом органических материалов является простота и дешевизна их переработки. Важно, что органические материалы обладают огромным потенциалом химической модификации и настройки структуры в зависимости от поставленной задачи (Renault et al., 2013, 10.1039/c3ee40878g; Godet-Bar et al., 2017, 10.1039/c6ta10177a; Li et al., 2019, 10.1002/aenm.201900918). Благодаря широкому спектру модификаций структуры органических систем они обладают рядом полезных свойств:
1. Могут функционировать как в растворенном, так и в твердом состоянии, как в водных, так и неводных электролитах.
2. Легко поддаются настройке потенциала окисления/восстановления за счет введения электрон-донорных или электрон-акцепторных групп.
3. Могут участвовать в многоэлектронных окислительно/восстановительных процессах.
4. Развитая полимерная структура поддерживает интеркаляцию даже больших ионов (Mg2+, K+, PF6−), чего нельзя достичь для высокоупорядоченных кристаллических структур неорганических систем.
Созданию органических батарей посвящено сразу несколько крупных обзоров, из которых можно выделить несколько общих принципов дизайна этих систем (Liang et al., 2012, 10.1002/aenm.201100795; Bhosale et al., 2018, 10.1039/c8ta04906h; Lee et al., 2018, 10.1002/adma.201704682; Mauger et al., 2019, 10.3390/ma12111770). Благодаря тому, что органические материалы обладают широким диапазоном окислительно/восстановительных потенциалов, они могут быть использованы как в качестве катодных (>2.2 В отн. Li+/Li), так и в качестве анодных (<1.5 В отн. Li+/Li) материалов. К наиболее изученным катодным материалам относятся проводящие полимеры, такие как полиацетилены, полианилины, полипирролы и политиофены (Shinozaki et al., 1984, 10.1143/jjap.23.l892; Novák et al., 1997, 10.1021/cr941181o; Poizot, Philippe et al., 2020, 10.1021/acs.chemrev.9b00482). Рабочий потенциал таких систем варьируется в зависимости от структуры полимера и лежит в области 3 - 4 В отн. Li+/Li. Такие проводящие полимеры способны запасать энергию благодаря длинным цепям π-сопряжения, стабилизирующим возникающие заряды путем их делокализации на участке цепи. К сожалению, по мере увеличения плотности заряда стабильность таких полимеров уменьшается, что ограничивает практически достижимую энергоемкость таких систем.
Более современный подход основан на использовании материалов с локализованными редокс-центрами. Активно используются материалы с многоэлектронными редокс-активными ароматическими фрагментами (Inatomi et al., 2012, 10.1002/cplu.201200197; Kim et al., 2012, 10.1016/j.elecom.2012.05.016; Kato et al., 2014, 10.1039/c3ta14920j; Rodríguez-Pérez et al., 2016, 10.1021/acsenergylett.6b00300), а также свободно-радикальными фрагментами (Nakahara et al., 2002, 10.1016/s0009-2614(02)00705-4; Nakahara et al., 2011, 10.1246/cl.2011.222; Janoschka, Tobias et al., 2012, 10.1002/adma.201203119). Полимерные материалы, включающие нитроксильную группу, достаточно часто встречаются в литературных источниках (Muench et al., 2016, 10.1021/acs.chemrev.6b00070). Чаще всего строительным блоком радикальных полимеров является стабильный радикальный фрагмент 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-N-оксил (ТЕМПО). ТЕМПО-содержащие полимеры являются привлекательными кандидатами для создания катодных материалов за счет хорошей редокс-кинетики и высокой стабильности в комбинации с достаточно высокой теоретической емкостью (Janoschka, T. et al., 2012, 10.1002/adma.201203119) и высоким редокс-потенциалом (~3.55 В отн. Li+/Li) (Nakahara et al., 2002, 10.1016/s0009-2614(02)00705-4; Bugnon et al., 2007, 10.1021/cm063052h). Первичные разработки катодных нитроксил-содержащих материалов (Nakahara et al., 2002, 10.1016/s0009-2614(02)00705-4) показали как высокую плотность энергии (Koshika et al., 2009, 10.1039/b818087c) и мощность (Kim, 2013, 10.1016/j.jpowsour.2013.05.169), так и высокую стабильность (Vlad et al., 2015, 10.1002/cssc.201500246).
Скачковый механизм переноса заряда в редокс-полимерах ограничивает их электронную проводимость, и, как следствие, не позволяет их использовать в чистом виде в качестве активных электродных материалов. Для повышения электронной проводимости материалов используются углеродистые материалы с развитой поверхностью (сажа, графит, углеродные нанотрубки (Lin et al., 2015, 10.1039/c5ra03680a)). Несмотря на крайне низкую собственную редокс-емкость таких добавок, оптимизация состава катодных материалов позволяют добиться их минимальной загрузки, и, как следствие, сохранения высокой гравиметрической и волюметрической емкости (Nakahara et al., 2011, 10.1246/cl.2011.222). Вторым вариантом решения проблемы проводимости является присоединение редокс-активных фрагментов к цепи проводящего полимера с образованием так называемых редокс-проводящих полимеров (Xiang et al., 2015, 10.1016/j.polymer.2015.01.054), что позволяет максимально улучшить взаимодействие между проводящим и ёмким компонентами, увеличивая максимально возможную массу загрузки активного материала. К числу материалов, созданных по такому принципу, относятся модифицированные ТЕМПО-группами полианилины (Oyaizu et al., 2014, 10.1038/pj.2014.124), полиацетилены (Katsumata et al., 2006, 10.1002/marc.200600286; Qu et al., 2007, 10.1002/pola.22288; Qu et al., 2007, 10.1002/chem.200700698; Qu et al., 2007, 10.1021/ma062357e; Bahceci and Esat, 2013, 10.1016/j.jpowsour.2013.05.051), полипирролы (Xu et al., 2014, 10.1016/j.electacta.2014.03.017; Xu et al., 2017, 10.1007/s11581-016-1965-x; Li et al., 2018, 10.1021/acs.chemmater.8b01775), политиофены (Aydın et al., 2011, 10.1016/j.eurpolymj.2011.09.002; Aydin and Esat, 2015, 10.1007/s10008-015-2842-7; Li et al., 2017, 10.1002/anie.201705204; Schwartz et al., 2018, 10.1016/j.synthmet.2018.04.005) и др. Однако и в этих случаях достичь комбинации высокой плотности энергии и мощности не удалось. Несмотря на это, целесообразность дальнейшей направленной модификации структуры материалов подтверждается маркетинговыми исследованиям. Целесообразность реализации проекта обусловлена также ужесточением экологического законодательства и введением требований в области декарбонизации индустриального сектора (ФЗ №296-ФЗ от 02.07.2021 «Об ограничении выбросов парниковых газов»), повышения энерго-эффективности (Распоряжение правительства РФ № 1523-р Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года) и ресурсоэффективности (N 89-ФЗ (ред. от 02.07.2021) "Об отходах производства и потребления" (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.03.2022) и Распоряжение N 3722-р Нормативы утилизации отходов от использования товаров). На острую актуальность задач повышения энергоэффективности и ресурсосбережения обращает внимание и международное сообщество в рамках отдельных стратегий на государственном и межгосударственном уровнях (Зеленый курс ЕС 2050, План действий по циркулярной экономике 2020, Парижское соглашение и проч.). В новых условиях изменяются и стратегии бизнеса, что подтверждается высокой активностью компаний и исследователей по всему миру в области вопросов ESG-трансформации целей предприятий и переходу от чисто коммерческой эффективности к сопряжению экономических, экологических и социальных эффектов работы компаний (Alkaraan et al., 2022, 10.1016/j.techfore.2021.121423).
Вместе с тем исследуемая технология требует инвестиционных вложений, срок окупаемости которых предстоит определить с учетом экологических и экономических выгод и затрат. Коммерческая эффективность реализации проекта зависит в том числе и от сотрудничества. В связи с чем авторами предполагается провести анализ возможных вариантов сотрудничества в рамках цепей поставок. Такое комплексное исследование институциональной среды, экологических и экономических аспектов вывода на рынок технологии нового поколения аккумуляторов в настоящее время отсутствует. Таким образом, проблема научного обоснования аналитических и методических решений по разработке нового поколения аккумуляторов на основе органических активных материалов требует реализации междисциплинарных научно-естественных и финансово-экономических подходов.
Эффективность редокс-проводящих полимеров может быть повышена оптимизацией структуры мономерного звена, в частности нахождением оптимального линкера между проводящим и емким фрагментами (Karlsson et al., 2015, 10.1039/c4ra15708g; Li et al., 2017, 10.1002/anie.201705204) и подбором компонентов, согласованных по редокс-потенциалам. Одним из представителей класса проводящих полимеров являются полимерные комплексы переходных металлов с основаниями Шиффа. Их особенностью является ширина диапазона обратимой электроактивности, полностью покрывающего формальный потенциал ТЕМПО (Freire et al., 2019, 10.1016/j.ccr.2019.05.014), а так же высокая проводимость (Li et al., 2012, 10.1007/s11426-012-4585-y), редокс-емкость и плотность энергии (Zhang et al., 2012, 10.1016/j.electacta.2012.03.182), превосходящая этот показатель для большинства других проводящих полимеров.
Материалы на основе хинонов представляют собой ещё один класс электродных материалов, важный для развития концепции органического аккумулятора. Они обладают меньшим окислительно-восстановительным потенциалом, чем свободнорадикальные молекулы, но при этом показывают высокие значения теоретической ёмкости (более 200 мАч/г), превосходя по этому параметру неорганические аналоги. Вместе со способностью к транспорту ионов лития и других щелочных металлов это делает материалы на основе хинонов особенно привлекательными для использования в качестве катодов литий-ионных, натрий-ионных и полностью органических аккумуляторов. Однако, как в случае для других органических материалов, для создания конкурентноспособных электродных материалов на основе хинонов необходимо решить ряд задач, среди которых предотвращение самопроизвольного растворения, низкая электронная проводимость и недостаточно высокий потенциал плато разряда (Wu et al., 2017, 10.1002/aenm.201700278). Одним из синтетических подходов, потенциально способным к решению сразу трёх основных проблем хиноновых электродных материалов является создание проводящего редокс-полимера путём привития хиноидных групп к цепи сопряженного проводящего полимера (Karlsson et al., 2013, 10.1021/jp311009z; Sterby et al., 2017, 10.1016/j.electacta.2017.03.068). В этом случае основная цепь проводящего полимера служит для обеспечения пути электронной проводимости через материал, в то время как привитые хиноидные группы обеспечивают четко определенный потенциал окислительно-восстановительной реакции и высокую удельную ёмкость. Для этого важно сохранение в макромолекуле индивидуальных свойств проводящего полимера и окислительно-восстановительной группы. Более того, поскольку проводящие полимеры являются проводящими только в их окисленном или восстановленном, то есть в частично допированных, состояниях, окислительно-восстановительная реакция хинона должна происходить в области потенциалов, соответствующих допированному состоянию полимера, т.е. должен быть обеспечен т.н. редокс-матчинг (окислительно-восстановительное соответствие).
При использовании полипиррола (PPy) в качестве основной цепи полимера с привитыми фрагментами хинона проводимость полимера была серьезно нарушена окислительно-восстановительной активностью хинона (Karlsson et al., 2015, 10.1039/c4ra15708g). Был сделан вывод, что это происходит из-за скручивания основной цепи PPy при окислении хиноновой группы, что приводит к локализации носителей заряда. Таким образом, в системе PPy-хинон требование о неизменных свойствах активных фрагментов не было выполнено. Более жесткая основную цепь поли (3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT), потенциально может противостоять силам, действующим на основную цепь полимера во время окислительно-восстановительного преобразования гидрохинона в хинон (Sterby et al., 2017, 10.1016/j.electacta.2017.03.068). Более того, в этих полимерах выполняется требование окислительно-восстановительного согласования и проводимость основной цепи полимера слабо зависит от боковой группы. Это делает PEDOT одной из наиболее предпочтительных основных цепей проводящих полимеров на основе хинонов.
Среди органических анодных материалов также используют хиноны (Song et al., 2014, 10.1039/c4ee02575j; Song et al., 2015, 10.1002/advs.201500124; Wu et al., 2015, 10.1039/c5ta05437k; Yokoji et al., 2016, 10.1039/c5ta10713j), потенциал которых лежит в области ниже 2.5 – 3.0 В отн. Li+/Li. Некоторые проводящие полимеры могут быть n-допированы и давать потенциал <1 В отн. Li+/Li, однако практически достижимый уровень их допирования весьма низок, а дальнейшее допирования приводит к деградации (Levi and Aurbach, 2008, 10.1016/j.jpowsour.2007.08.080). Перспективными классами анодных материалов являются расширенные хиноидные (Poizot, P. et al., 2020, 10.1021/acs.chemrev.9b00482) и карбонил-содержащие системы (Armand et al., 2009, 10.1038/nmat2372; Renault et al., 2016, 10.1021/acs.chemmater.6b00267; Lakraychi et al., 2017, 10.1016/j.jpowsour.2017.05.046; Lakraychi et al., 2018, 10.1016/j.elecom.2018.06.009).
В последнее время аккумуляторы применяются все в большем количестве устройств. Это не только микроустройства (телефоны, планшеты) и электрические транспортные средства (электромобили, гибридные автомобили). Большое значение аккумуляторные батареи имеют для распределенных систем генерации энергии (энергия воды, ветра, солнца, биомассы, водородное топливо и др., поскольку такие системы характеризуются нестабильным уровнем генерации. Массовое использование такой энергии возможно только при наличии энергозапасающих систем. (Surender Reddy Salkuti, 2021, 10.11591/ijece.v11i3.pp1849-1856)
В то же время, существующие мощности энергозапасающих систем явно недостаточны. Так, в США существует сеть с максимальной мощностью около 1 ТВт, но совокупная емкость аккумуляторной батареи в этой сети составляет не более 0,1% от этой мощности. Существующие мощности рассчитаны лишь на хранение количества энергии, проходящей по сети за 15 минут. (Sechan et al, 2018, 10.1002/adma.201704682)
Особый интерес представляют энергетические хабы, интегрирующие разные источники и разные технологии хранения энергии (Nozari et al, 2022, 10.1016/j.est.2022.103972), которые могут оказать существенное влияние на объем спроса и конфигурацию энергозапасающих устройств.
4.3.7.6. Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок
выполнения проекта.
Основной идеей проекта является создание прототипа продукта с оптимальными рыночными, функциональными, стоимостными и экологическими характеристиками. Это требует выявления взаимосвязи указанных характеристик. Для решения данной задачи предполагается построить параметрическую модель нового продукта и на ее основе проводить дизайн, тестирование и доработку продукта.
Параметрические модели используются при дизайне товаров народного потребления, оборудования, строительных материалов (Leone et al, 2021, 10.1016/j.autcon.2021.103650) и довольно распространены при разработке новых продуктов (Vega, et al., 2020, 10.1109/IECON43393.2020.9254857). В последние годы исследования посвящены как моделированию стоимости аккумуляторных батарей (Duffner et.al. 2020, 10.1016/j.rser.2020.109872), так и их оптимальных свойств (Mashlakov et al., 2019, 10.1007/978-3-030-30241-2_41).
Особый интерес представляет собой использование энергозапасающих устройств в интеллектуальных сетях (Kolokotsa, et.al 2019, 10.1002/est2.50), поэтому прогноз их развития и необходимых мощностей будет являться важной задачей проекта.
Проект состоит из семи последовательных этапов. Первые два этапа посвящены аналитической работе, призванной сформулировать на основе экономических и материаловедческих данных требований к конструкции и химической природе аккумулятора, способного занять часть рынка литий-ионных аккумуляторов. Поиск целевой ниши и формулировка конкретных требований будет осуществляться экономической научной группой с учётом реальных возможностей материаловедческой научной группы. Эти требования, совместно сформированные двумя группами, лягут в основe стратегии синтеза на третьем этапе проекта базовых энергозапасающих материалов. После сверки свойств полученных материалов с границами допустимых по экономическим оценкам значений на четвертом этапе проекта будет проведен анализ возможных конфигураций электродов и других компонентов аккумулятора, изготовлены и протестированы такие электроды. На пятом этапе на основании результатов тестирования будут внесены требуемые изменения в методики синтеза и собран удовлетворяющий требованиям потенциальной коммерциализации прототип аккумулятора. На шестом этапе планируется отработка технологии и масштабирование аккумулятора до полупромышленного образца. Последним, седьмым этапом проекта, станет разработка стратегии вывода продукта на рынок.
Первый этап включает в себя формирование концепции исследования и проведение анализа рынка, определение целевых параметров аккумулятора. Используя методы анализ и синтеза, кабинетных исследований, экспертного опроса, моделирования будет подготовлен аналитический обзор, включающий:
• Анализ институциональной базы и нормативно-правовых актов, в том числе требований и нормативов ресурсо- и энергоэффективности (Энергетическая стратегия РФ до 2035 года, Стратегия РФ с низкоуглеродным развитием до 2050 года, Федеральный закон Об ограничении выбросов парниковых газов, Постановление РФ о нормативах утилизации отходов от использования товаров).
•
Отраслевой анализ, в том числе потенциальных конкурентов и ключевых игроков, объема рынка, инновационных и конкурентных стратегий.
• Определение ключевых параметров аккумулятора в соответствии с потребностями рынка.
• Разработка концепции и основных характеристик параметрической модели нового продукта.
В последующий период эта модель будет откорректирована с учетом результатов ее тестирования и скорректирована с учетом рыночных, функциональных, стоимостных и экологических характеристик, позволяющих оптимизировать дизайн прототипа нового продукта.
На втором этапе на основе анализа подготовленных материалов будет проведён скрининг соответствия доступных технологий, планируемых к использованию при производстве аккумуляторов нового типа, и запросов рынка или отдельных нишевых потребителей. Для этого будет проведён технический анализ маркетингового аналитического отчёта, с использованием приведенных в отчёте интегральных характеристик аккумуляторов для различного применения будет выполнено соотнесение минимальных требований к его компонентам, таким, как положительный электрод, отрицательный электрод, электролит, дополнительные конструкционные элементы (сепоратор, корпус, системы управления и т.д.). Будет выполнен литературный поиск материалов или классов материалов, потенциально удовлетворяющим полученным минимальным требованиям, а также моделирование свойств новых материалов, доступных к получению в рамках компетенций материаловедческой научной группы. На основании полученного анализа будет составлен план синтеза новых материалов, входящих в состав такого аккумулятора и предложено техническое задание на сборку на их основе макета аккумулятора нового типа, пригодного для коммерциализации в как минимум одной рыночной нише.
На третьем этапе проекта будут синтезированы активные компоненты аккумулятора. На основе предварительного анализа предполагается, что для достижения максимальной производительности в состав электродов будут входить модифицированные углеродные наноматериалы (сульфированные углеродные нанотрубки и графен) и редокс-проводящие полимеры на основе нитроксильных радикалов и/или хиноидных фрагментов. Логика проекта не позволяет заранее предложить план синтеза таких материалов, поскольку их конкретная структура будет определена на первых двух этапах работы. Имеющийся задел по разработанным ранее электроактивным полимерам p-DiTS и PQ-PDOT (Рисунок 1), а также интерполимерным композитам NiSalen:PTMA (Vereshchagin et al., 2019, 10.1016/j.electacta.2018.11.149) и полихинон:PEDOT (Lukyanov et al., 2019, 10.1016/j.synthmet.2019.116151) будет использован в качестве основы для получения новых материалов. Планируется использование готовых анодных материалов и электролитов, будет оценена их теоретическая совместимость с новыми материалами.
Рисунок 1. Схема синтеза мономеров DiTS и Q-PDOT и полимеров p-DiTS и PQ-PDOT
Четвертый этап включает в себя электрохимические испытания новых и известных материалов. В рамках этого этапа будут изготовлены электроды с различными материалами, оптимизирован состав электродов с учётом использования дополнительных компонентов (полимерное связующее, проводящие добавки), изучены их электрохимические и энергозапасающие свойства готовых электродах в полуячейках, выбраны материалы, наиболее перспективные для дальнейшей работы. Будет проведён экспериментальный скрининг электролитов, совместимых как с катодом, так и с анодом, обеспечивающих максимальную стабильность и энергозапасающие свойства обоих электродов. Также в рамках этого этапа будет произведен поиск оптимального материала сепаратора.
Пятый этап включает в себя сборку и тестирование полных ячеек аккумуляторов из выбранных катодов и анодов с оптимальными электролитами и сепараторами. Будут определены емкостные, мощностные характеристики ячеек, их стабильность при заряде/разряде и работоспособность в различных температурных режимах.
Шестой этап включает в себя масштабирование процесса для получения аккумулятора с запланированной ёмкостью, на котором будет выполнена отработка технологии соединения электродов между собой, перекладывание сепаратором, приваривания токовыводов, герметизации корпуса для изготовления батарей в гибком корпусе.
На седьмом этапе работы будет подготовлена стратегия вывода продукта на рынок с обоснованием инвестиционного проекта
На первом году проекта будут выполнены следующие работы:
1) Анализ рынка и целевых параметров аккумулятора:
a. Анализ институциональной базы и нормативно-правовых актов, в том числе требований и нормативов ресурсо- и энергоэффективности (Энергетическая стратегия РФ до 2035 года, Стратегия РФ с низкоуглеродным развитием до 2050 года, Федеральный закон Об ограничении выбросов парниковых газов, Постановление РФ о нормативах утилизации отходов от использования товаров).
b. Отраслевой анализ, в том числе потенциальных конкурентов и ключевых игроков, объема рынка, инновационных и конкурентных стратегий.
c. Определение ключевых параметров аккумулятора в соответствии с потребностями рынка.
d. Разработка концепции и основных характеристик параметрической модели нового продукта.
2) Формулировка требований к конструкции и химической природе аккумулятора, составление плана синтеза новых материалов, входящих в состав такого аккумулятора, написание технического задания на сборку на их основе макета аккумулятора
3) Синтез мономеров энергозапасающих полимерных материалов.
На втором году проекта будут выполнены следующие работы:
1) Синтез сульфированных углеродных наноматериалов
2) Нанесение новых материалов на электроды с углеродными наноматериалами
3) Тестирование электродов методами циклической вольтамперометрии, спектроскопии импеданса, заряд-разрядных кривых.
4) Корректировка параметрической модели с учетом результатов ее тестирования с учетом рыночных, функциональных, стоимостных и экологических характеристик, позволяющих оптимизировать дизайн прототипа нового продукта.
5) Разработка конфигурации и конкретных параметров цепочки спроса для производства, продаж и обслуживания продукции.
6) Проведение оценки экономической целесообразности запуска и масштабирования производства продукции на основе предлагаемой технологии
7) Оценка плановой себестоимости производства аккумуляторов.
На третьем году проекта будут выполнены следующие работы:
1) Подбор оптимальных составов электролитов и материалов сепараторов
2) Сборка и тестирование полных ячеек
3) Определение удельных характеристик ячеек методом заряд-разрядных кривых
4) Температурные испытания полных ячеек для определения рабочего диапазона температур
5) Ресурсные испытания ячеек
6) Разработка сценариев выхода на рынок нового продукта и обоснование эффективной стратегии с учетом экономической и экологической целесообразности.
7) Оценка инвестиционного проекта и обоснование коммерческой эффективности
4.3.7.7. Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту
В состав коллектива входят специалисты и студенты, имеющие опыт исследований в области фундаментальной электрохимии (О. Левин, Е. Алексеева, А. Верещагин), разработки и тестирования электрохимических источников тока (О. Левин, Е. Алексеева, Е. Белецкий), органического и полимерного синтеза (Д. Лукьянов), студенты и аспиранты по направлению Химия (Новосёлова Ю.В., Кальнин А.Ю). Экономические, экологические и маркетинговые проблемы, связанные с разработкой технико-экономического обоснования, бизнес-плана, проведением маркетингового исследования, сравнением продукта с мировыми аналогами, определением потенциального спроса и основной целевой аудитории, оценкой рисков и пр. будут решаться силами специалистов профильной кафедры экономики предприятия и предпринимательства экономического факультета СПбГУ (Аренков И.А., Ветрова М.А., Смирнов С.А., Ценжарик М.К.), обладающими необходимыми компетенциями и опытом. С момента разработки минимально жизнеспособного продукта экономические проблемы выйдут на первый план, поскольку нужно будет найти удачную форму реализации проекта. В этой связи понадобится команда специалистов по привлечению инвестиций, организации подходящей организационно-правовой формы.
Члены материаловедческого коллектива имеют большой опыт совместной работы, в том числе в области проводящих полимерных материалов и комплексных соединений. Под руководством Левина О.В. с участием основных исполнителей данной заявки были успешно реализованы проекты РФФИ "Взаимосвязь структуры и электрохимических свойств полимеров на основе комплексов переходных металлов с основаниями Шиффа" (2013-2015 гг., № 13-03-00843-а), "Синтез наноразмерных катализаторов для топливных элементов с использованием полимерных комплексов металлов с основаниями Шиффа" (2014-2016 гг., № 14-29-04057-офи_м), "Влияние оснований Льюиса на электрохимические свойства полимерных комплексов никеля с основаниями Шиффа" (2015-2016 гг., № 15-33-20379-мол_а_вед), “Проводящие координационные полимеры для электрохимических источников тока” (2018-н.в., № 18-29-04058-мк), “Фотоэлектрохимические преобразователи энергии на основе полимерных комплексов переходных металлов” (2018-н.в., № 18-03-00864-а), а также проекты РНФ "Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров" (2016-2018 гг., №. 16-13-00038) и “Повышение безопасности литий-ионных аккумуляторов за счет самоактивирующихся электродных покрытий переключаемого сопротивления” (2019-н.в., №19-19-00175). В рамках реализации этих проектов были проведены комплексные исследования, направленные на выявление взаимосвязи структуры и свойств электродных полимерных материалов на основе основе комплексов никеля с различными лигандами саленового типа, в ходе которых установлен механизм полимеризации комплексов никеля с основаниями Шиффа с определением точного количества электронов, участвующих в реакции.
С использованием полученных теоретических результатов определены мощностные и ёмкостные характеристики полимеров на основе комплексов никеля с лигандами саленового типа, установлена их зависимость от структуры лиганда и даны рекомендации по применению комплексов в энергозапасающих устройствах, в том числе впервые была показана возможность использования саленового комплекса никеля в качестве монокомпонентного электрода литий-ионного аккумулятора, а также был разработан новый электрохимический сенсор на важнейшие биогенные амины (патент РФ № 2613880С2).
Члены коллектива также имеют опыт руководства научно-исследовательскими проектами. Под руководством членов коллектива идет реализация проектов РФФИ А № 20-03-00746 «Перенос заряда и энергозапасающие свойства полимерных комплексов никеля с лигандами саленового типа в условиях низких температур» (Е. Алексеева) и РНФ 20-73-00058 «Сульфированные поликатехолы для повышения энергоемкости органических катодных материалов» (Д. Лукьянов). Кроме того, Е. Белецкий и В. Ершов руководят исследованиями в рамках проектов УМНИК (№ У-64565 «Разработка нанокомпозиционных материалов для электродов литий-серных аккумуляторов на основе полимерных комплексов никеля саленового типа и технологии молекулярного наслаивания» и № У-64276 «Разработка состава катодного композитного материала для предотвращения взрыва и возгорания литий-ионного аккумулятора в случае развития критической ситуации», соответственно).
В рамках выполнения проекта РНФ "Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров" (2016-2018 гг., №. 16-13-00038) были разработаны и протестированы интерполимерный композит polyNiSalen:PTMA, а также мономер DiTS и материал p-DiTS, получающийся при его электрохимическом окислении, которые планируется использовать в настоящем проекте в качестве электроактивных катодных материалов. Синтез и электрохимические свойства этих материалов опубликованы в статье в журнале Electrochimica Acta (Vereshchagin et al., 2019, 10.1016/j.electacta.2018.11.149), а также содержатся в заявке на патент РФ № 2018143206. Синтез и исследование материала полихинон:PEDOT были опубликованы членами коллектива в журнале Synthetic Metals (Lukyanov et al., 2019, 10.1016/j.synthmet.2019.116151). В рамках выполнения проекта РФФИ № 18-33-00682 «Разработка рационального метода поиска стабильных полимерных комплексов никеля с основаниями Шиффа для электродов энергозапасающих устройств» был определен механизм деградации комплексов никеля с основаниями Шиффа.
Членами коллектива опубликовано в общей сложности 97 (материаловеды) и 15 (экономисты) статей в журналах из базы данных Web of Science Core Collection, из них 18 посвящены синтезу и исследованию материалов для электрохимической энергетики, в том числе на основе проводящих полимеров. Кроме того, члены коллектива имеют 4 патента и 3 заявки на патенты РФ. Среди экономической части коллектива имеются публикации на тему проектирования бизнес-моделей, проведения маркетинговых исследований, новых тенденций в производственных и логистических системах.
Соответствие научного уровня членов коллектива подтверждается опытом работы в иностранных исследовательских лабораториях. Руководитель проекта в период с 2007 по 2010 г. работал в исследовательском отделе на производстве литий-ионных аккумуляторов компании Samsung SDI (г. Чхонан, Южная Корея), где разрабатывал новые катодные материалы на базе неорганических соединений, по результатам работы получен патент США 8986889 (март 2015 г) “Рositive active material for lithium secondary battery and method of manufacturing same”. Е.В. Алексеева с 2006 по 2007 год работала исследовательском отделе компании Samsung SDI (г. Чхонан, Южная Корея), где разрабатывала новые катализаторы топливных элементов, по результатам работы получен патент США 20090214908 (2009 г) “Fuel cell reforming catalyst, method of preparing the same, reformer for fuel cell, and fuel cell system including the same”. Д.А. Лукьянов работал в Университете Фридриха-Александра (Нюрнберг, Германия). Е.В. Белецкий имеет 9-летний опыт работы в промышленной сфере, из которых 3 года занимал должность старшего научного сотрудника АО «АК «Ригель», где занимался научно-исследовательской и опытно-конструкторской разработкой промышленных литий-ионных аккумуляторов и батарей народно-хозяйственного комплекса, и 2 года занимал должность инженера-конструктора в ООО "Научно-производственное предприятие "Энергетические системы", где занимался реализацией опытно-конструкторских работ на аккумуляторы и батареи никель-кадмиевой, свинцовокислотной, никель-металлгидридной и литий-ионной электрохимической системы.
4.3.7.8. Детальный план работы на первый год выполнения проекта.
1) Анализ рынка и целевых параметров аккумулятора:
1. Анализ институциональной базы и нормативно-правовых актов, в том числе требований и нормативов ресурсо- и энергоэффективности с целью обоснования целесообразности реализации проекта с точки зрения требований государства.
2. Анализ экологических эффектов, в том числе снижения выбросов СО2, энергоемкости, возможностей утилизации, и сокращения прямых потерь от уплаты экологических налогов и сборов
3. Отраслевой анализ, включающий систематизацию потенциальных конкурентов и ключевых игроков с определением объема рынка, приоритезацию инновационных и конкурентных стратегий, а также прогноз развития разных сегментов рынка продукта (малые устройства, электрический транспорт, распределенные источники генерации энергии)
4. Параметризация продуктов компаний-лидеров, подготовка данных для формирования параметрической модели продукта
5. Систематизация существующих моделей оптимизации дизайна продукта по разным критериям
Итогом первого этапа работы станет разработанная концепция основных характеристик параметрической модели нового продукта, включающая ключевые элементы проведенного анализа по пунктам 1-5 Анализа рынка и целевых параметров аккумулятора.
2) На основании полученной технико-экономической оценки будут сформулированы требования к конструкции (номинал, форм-фактор) и химической природе (активные материалы, электролит, сепаратор) аккумулятора.
3) Будет проведен ретросинтетический анализ и составлены схемы синтеза отобранных активных материалов. Будет проведен анализ стоимости и масштабируемости синтеза для того, чтобы отсечь заведомо дорогие или немасштабируемые схемы.
4) Будет сформулировано техническое задание на сборку прототипа аккумулятора, включающее в себя номинал и форм-фактор аккумулятора, особенности его сборки (использование сухого бокса, вакуумирование и т.д.)
5) Будет проведен синтез прекурсоров и мономеров для отобранных энергозапасающих материалов. Будут проведены эксперименты для определения выхода реакций, поиска оптимальных путей очистки продуктов, а также более точной оценки масштабируемости синтеза. Строение новых продуктов будет подтверждено методами молекулярной спектроскопии.
