Ещё 50 тонн: как российские физики изменят привычный нам мир

«На наших глазах стартап из новосибирского Академгородка, начинавшийся фактически с одной, но очень амбициозной идеи — создать абсолютно новый материал будущего — вырос в глобального лидера рынка с промышленной технологией производства графеновых нанотрубок. В 2019 году он стал первым и пока единственным в нашей стране "единорогом" в секторе material based. Сегодня, когда запускается крупнейшая в мире установка синтеза нанотрубок, я испытываю гордость за всю команду проекта во главе с Юрием Коропачинским и Михаилом Предтеченским», — заявил бывший председатель правления «Роснано» Анатолий Чубайс.

OCSiAl владеет единственной в мире масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок и является мировым лидером по объему производственных мощностей. Автор уникальной технологии — российский ученый-физик, академик РАН Михаил Предтеченский.

Первую промышленную партию OCSiAl синтезировала в 2015 году — 1,2 тонны, что превысило весь объем этого материала, когда-либо произведенный с момента его открытия в 1991 году. Сегодня научно-исследовательский реактор Graphetron 1.0 , изначально рассчитанные на производство тонны трубок, синтезирует 25 тонн нанотрубок в год — технология оказалась уникально масштабированной.

Как говорит основатель компании Юрий Коропачинский, предельный коэффициент масштабирования в химической промышленности 6, за редким исключением 8. Уже Graphetron 1.0 показал коэффициент выше 10. Поэтому 50 тонн графеновых нанотрубок на Graphetron 50 — это только самое начало. Изменилась и технология производства — если Graphetron 1.0 компания запускала год, то Graphetron 50 заработал сразу — невиданные результат при технологиях такой сложности. Одна из основных задач — трудность протекания каталитических реакций на таких площадях — один грамм нанотрубок имеет площадь поверхности 1500 кв. м, а одновременно в реакторе Graphetron 50 находятся десятки килограммов трубок. Ранее эта задача считалась неразрешимой.

Интересной особенностью подобных реакций является то, что себестоимость продукции падает как 1 на объем реактора в степени 3/2. Поэтому с ростом размера Graphetron материал становится все дешевле, и все качественнее. По мере роста размера реактора, в конечных графеновых трубках все меньше металлических частиц, и все больше трубок. И если на первом графетроне сначала синтезировали трубки 75% чистоты, потом 80%, то на новом реакторе получается 85% и выше, компания вплотную подошла к рекордной 90% чистоте.

На сегодня главный рынок для OSCiAl — автомобильная промышленность, вернее, аккумуляторы для машин. Современные аккумуляторы с катодами высокой емкости на основе материалов с высоким содержанием никеля (NCM 622, NCM 811, NCA) и графитовыми анодами достигают энергоёмкости в 240-250 Вч/кг, что позволяет легковому автомобилю иметь пробег на одной зарядке на уровне 400 км. Однако, при этом пробег электромобиля все равно существенно ниже пробега автомобиля с ДВС аналогичного класса, а его стоимость выше на 25%. Для того, чтобы электромобили стали действительно массовыми и могли конкурировать с авто с ДВС по пробегу и цене, энергоёмкость батареи должна быть на уровне 300-350 Вч/кг. На сегодняшний день единственно доступной технологией, позволяющей достигнуть данных показателей по энергоёмкости, является замена графитового анода в литий-ионной батарее на анод с высоким содержанием кремния. На уровне 20% (SiO).

Теоретическая удельная энергоёмкостью кремния более чем в 10 раз выше, чем у графита — 4200 мАч/г против 370 мАч/г. Однако, при добавлении такого высокого процента кремния в анод батареи, существенно падает ее срок службы. Это связано с тем фактом, что в ходе циклов заряда/разряда батареи кремний меняет свой объём более чем в 6 раз. При таком объёмном расширении анод трескается, что и ведёт к падению сроку службы батареи. Это фундаментальная проблема кремнийсодержащих анодов, у которой не было решения, что и останавливало процесс создания более энергоемких батарей, так нужных современному автопрому.

Решением стало применение графеновых нанотрубок в качестве проводящей и повышающей прочность добавки в кремнийсодержащие аноды. Нанотрубки создают плотную, разветвлённую и прочную сеть внутри анода, которая позволяет частицам анодного материала оставаться электрически связанными, и, соответственно, активными даже в ходе их существенного объемного расширения. Данный эффект от применения нанотрубок сделал возможным использование высокого содержания кремния в анодах без значимого негативного влияния на срок службы батaреи.

Ряду крупнейших производителей удалось создать батареи с энергоёмкостью свыше 300 Вч/кг и сроком службы свыше 1000 циклов заряда/разряда. И графеновые нанотрубки оказались единственным решением, позволяющим это сделать. Де факто использование графеновых нанотрубок везде, где в аноды требуется добавления кремния стало мировым стандартом в индустрии литий-ионный источников тока. Уже сейчас 7 из 10 ведущих производителей аккумуляторов либо начали массовое производство, либо находятся на стадии предсерийных испытаний источников тока с кремниевыми анодами, содержащими графеновые нанотрубки OCSiAl.

OCSiAl – единственная компания, владеющая масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок, их крупнейший в мире производитель. Графеновые нанотрубки, или одностенные углеродные нанотрубки, представляют собой свернутые в цилиндр плоскости графена. Они обладают уникальными свойствами – высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, соотношением длины к диаметру. При внесении в матрицу материала они создают трехмерную сеть, которая придает материалам проводящие и армирующие свойства. OCSiAl производит нанотрубки под брендом TUBALL.