Станислав Федотов: «Конкурс грантов памяти Евгения Велихова — осмысленная связка "заказчик — исполнитель"»

// Ваш проект получил грант РНФ памяти Евгения Велихова — одного из символов российской науки и научного лидерства. Какие возможности открывает поддержка Фонда для реализации масштабных исследований?

Для нас этот грант в буквальном смысле стал точкой сборки — и научной, и человеческой, и организационной. До этого я много лет находился в роли классического ученого, который «ходит по миру» и предлагает свои разработки: рассказывает, как новые материалы могут улучшить аккумуляторы, где это можно применить, почему этим стоит заниматься. Но в итоге часто выяснялось, что промышленным партнерам нужны совсем другие вещи и еще вчера, то есть происходил разрыв ожиданий.

Конкурс грантов памяти Евгения Велихова как раз про другое — про осмысленную связку «заказчик — исполнитель». В нашем случае это не просто поддержка перспективного направления, а целевой запрос Красноярского края и индустриального партнера на натрийионные аккумуляторы с конкретными характеристиками. Есть понятная технологическая задача и есть команда, которая обладает экспертизой и опытом работы именно в этой области.

Станислав Федотов на встрече Президента России Владимира Путина с участниками Конгресса молодых ученых. Источник: Фотохост Конгресса молодых ученых / Алексей Никольский 

Грант дал нам сразу несколько вещей. Во-первых, горизонт планирования. Проект рассчитан на пять лет — с 2025 по 2029 год. Это значит, что можно строить серьезную программу: от фундаментальных исследований до прототипов ячеек и конструкторской документации для возможного запуска производства. Во-вторых, масштаб. Мы говорим не о граммах реагентов и лабораторных образцах, а о задачах уровня сотен килограммов активных материалов в год, полноразмерных ячейках, реальных режимах эксплуатации. Это совсем другой уровень ответственности.

И, конечно, важен символический аспект. Конкурс РНФ посвящен памяти Евгения Павловича Велихова. Для нашей команды это не просто слова. Награду за победу в конкурсе, которая стоит у нас в лаборатории, мы называем своей иконой, поскольку она нас вдохновляет на высочайший уровень научной работы. По объемам и поставленным задачам это действительно уникальный проект: он подразумевает трансфер научных знаний не просто в практическую плоскость, а с прицелом на промышленное производство. 

// Почему сегодня именно натрийионные аккумуляторы считаются перспективным направлением для энергетики? Какие у них преимущества по сравнению с литийионными системами и где вы видите точки прорыва?

Литийионные аккумуляторы уже много лет остаются технологическим стандартом. На них опирается электротранспорт, портативная электроника, системы накопления энергии. Но у лития есть свои ограничения: высокая стоимость, дефицит критических компонентов, сложная сырьевая база. В какой-то момент стало понятно, что в будущем масштабировать эти решения будет сложно. 

Натрийионные аккумуляторы появляются как ответ на эти ограничения. Натрий — один из самых распространенных элементов в земной коре. То есть мы не упираемся в дефицит сырья, можем рассчитывать на более низкую себестоимость и меньшую зависимость от внешних цепочек поставок. Это автоматически делает технологию привлекательной и для крупногабаритных сегментов — телекоммуникаций, транспорта и объектов стратегического назначения.

У натриевых систем есть и другие важные преимущества. Аккумуляторы можно хранить в полностью разряженном состоянии, без химической деградации, что критично для безопасной логистики и эксплуатации. Кроме того, по своим мощностным характеристикам и поведению при низких температурах натрийионные аккумуляторы потенциально могут быть даже более привлекательными, чем литийионные, особенно для северных регионов.

К сожалению, сегодня в сфере литий-ионных аккумуляторов Россия вынуждена играть роль догоняющего: существует два основных класса материалов, вокруг которых и построена индустрия, — и эта архитектура уже устоялась. В случае натрия ситуация иная: здесь до сих пор ищут оптимальные решения по химии, и глобальный консенсус еще не сформирован. Разрыв между мировым уровнем и отечественными разработками значительно меньше, что дает России реальный шанс обогнать конкурентов на этой технологической развилке.

На мой взгляд, точка роста заключается в возможности предложить собственные материалы, собственную архитектуру ячейки и собственную комбинацию характеристик. И важно не просто разработать свои решения, но сделать их конкурентными на мировом рынке.

// Вы называете себя «специалист по аккумуляторам». Чем вас привлекает эта тематика и чем сегодня занимается ваша группа в Сколтехе?

Мой путь в науку начался на химфаке МГУ. Я со времен школьных олимпиад полюбил неорганическую химию, а в университете попал в специализированную группу, которая занималась неорганическими материалами для энергетики. Тогда это были в первую очередь материалы для литийионных аккумуляторов. С третьего курса я плотно погрузился в эту тематику, изучая триаду «состав — структура — свойства» на уровне кристаллохимии: как атомарное строение материала определяет его поведение в аккумуляторе.

В аспирантуре фокус сместился к постлитиевым системам — натрий- и калийионным аккумуляторам. Постепенно натрий стал флагманским направлением: было понятно, что здесь огромный задел для будущей энергетики. Когда я пришел в Сколтех, в недавно созданный Центр энергетических технологий, то благодаря содействию ректора Александра Петровича Кулешова и руководства Центра мы смогли развернуть эту тематику уже в качестве крупного научного направления. За несколько лет у нас накопился конкретный оцифрованный опыт: статьи мирового уровня, патенты, материалы, ячейки, результаты испытаний. Профессиональное сообщество стало воспринимать нас как одну из ведущих российских команд по натрийионным системам.

Сегодня под моим руководством работает около 20 человек в Сколтехе, а в рамках проекта памяти Велихова — порядка 50 человек в четырех организациях. Мы занимаемся полным циклом исследований: от синтеза новых катодных и анодных материалов до изучения их кристаллической структуры, электронного строения, процессов на границе электрод–электролит. Нас интересует не только прикладной аспект, но и фундаментальная картина: какие механизмы лежат за высокой мощностью, стабильной циклируемостью, устойчивостью при низких температурах.

Некоторые из наших материалов уже показали способность работать при токах до 5С — фактически заряжаться и разряжаться примерно за двенадцать минут без существенной потери емкости. Это очень серьезная заявка для высокомощных и низкотемпературных натрийионных аккумуляторов. Задача нынешнего проекта — довести этот научный задел до уровня полноразмерных прототипов и технологических регламентов.

// Проект, поддержанный Фондом, реализуется в логике национальных и федеральных проектов по химии, новым материалам и энергетическим технологиям. Как вы видите его вклад в достижение задач, поставленных на уровне государства?

Сейчас Россия находится в критической точке. Нам некогда медлить, потому что отрасль развивается гигантскими темпами. В то время, как другие страны возводят гигафабрики, сидеть и ждать результатов научного проекта, а потом очень долго принимать решение, — это неправильно. Необходимо уже сейчас разрабатывать стратегию. Пока у нас не будет собственных материалов и собственной научно-инженерной школы в этой сфере, говорить о настоящей отрасли металлионных аккумуляторов сложно. В России должно быть организовано производство полного набора ключевых компонентов: катодов, анодов, электролитов, сепараторов, полимерных связующих, токосъемников, корпусов. Только тогда мы сможем уверенно говорить о технологическом суверенитете.

Источник: Пресс-служба РНФ

Наш проект встроен в эту повестку. Тематика натрий-ионных аккумуляторов с заданными характеристиками соответствует федеральным и национальным проектам по новым материалам и химии, а также по новым атомным и энергетическим технологиям. Мы работаем на переход к ресурсосберегающей, экологичной энергетике, на создание систем хранения, которые обеспечат устойчивость энергосетей, развитие возобновляемой генерации, цифровой инфраструктуры.

Кроме того, проект ориентирован на конкретный регион — Красноярский край. Это не абстрактные разработки в вакууме, а шаг к формированию локального центра компетенций и, в перспективе, площадки для производства натрий-ионных ячеек. Если удастся реализовать дорожную карту, по итогам проекта, — но, надеемся, раньше, —  можно будет принимать взвешенное решение о развертывании производства на месте, с новыми рабочими местами, налоговой базой и технологическим развитием региона.

// Как выстраивается взаимодействие с индустриальным партнером?

Индустриальный партнер у нас непростой. Это большая многокомпонентная структура с разными дивизионами, своими контурами принятия решений. Так что наше общение с заказчиком — это диалог сразу с несколькими структурами, входящими в комплекс. Это и хорошо, и плохо. Плюс в том, что в этом контуре участвуют профильные подразделения, которые непосредственно занимаются аккумуляторами и строят заводы. А минус в том, что решения принимаются далеко не за один день. Мы это глубоко прочувствовали на этапе согласования контракта.

Еще один важный участник диалога — руководство Красноярского края, которое играет активную роль в проекте: регион видит в аккумуляторных технологиях один из приоритетов научно-технического развития и заинтересован не только в конечном продукте, но и в создании центра компетенций на своей территории. На базе Красноярского научного центра СО РАН мы организуем молодежную лабораторию, подбираем сотрудников, планируем отправить туда одного из моих сильнейших коллег в качестве руководителя. Это важная часть проекта — обеспечить не только технологии, но и кадры.

Источник: Пресс-служба РНФ

Так что связка сложная, но именно она в итоге и дает устойчивость. Тут нужно сказать отдельное спасибо Фонду, который выступает арбитром, помогая выстроить эффективное взаимодействие между промышленным заказчиком и научным коллективом, а также выразить благодарность администрации президента, которая курирует эти проекты.

// На каких научных и инженерных задачах вы сосредоточитесь на первом этапе работы по гранту?

Проект амбициозный и по содержанию, и по срокам. У нас есть пять лет, а еще лучше, чтобы это была пятилетка за три года. Поэтому критически важно на начальном этапе определиться — с какой «химией» мы пойдем дальше. Прежде всего нужно провести тщательный отбор классов катодных и анодных материалов и базового состава электролита. Мы работаем с широким спектром материалов. Эти материалы должны в лаборатории продемонстрировать тот уровень характеристик по энергоемкости, мощности, циклированию, низкотемпературному поведению, который позволит потом безболезненно переходить к масштабированию. 

Этот процесс вызывает у ученого наибольшее беспокойство. Одно дело — синтезировать граммы вещества из высокочистых реагентов, допуская, что девять попыток из десяти могут оказаться неудачными, а одна даст тот самый результат. Совсем другое — когда речь идет о килограммах и сотнях килограммов. Ты не можешь позволить себе десять неудачных синтезов по 10 или 100 килограммов каждый — это другие ресурсы, другое оборудование, другие деньги.

Масштабирование требует иной философии. Нужно учитывать чистоту промышленных реагентов, допустимые примеси, надежность поставок, воспроизводимость. Поэтому первый этап проекта — это максимально выверенная лабораторная работа: выбор объектов, отработка маршрутов синтеза, понимание того, как эти процессы могут быть перенесены в крупный масштаб. Уже на этом этапе мы закладываем задел на будущее: понимаем, где возможны небольшие модификации, какие параметры нужно будет корректировать по мере роста масштаба.

При этом мы сознательно оставляем место для творчества. В таких проектах всегда появляются новые идеи: сотрудники приходят с неожиданными гипотезами, возникают нетривиальные решения. Большой плюс РНФ в том, что грантовая схема позволяет гибко подхватывать такие идеи и интегрировать их в основной проект, если они усиливают итоговый результат.

// Какие новые инструменты или подходы вы планируете использовать при реализации проекта?

С одной стороны, мы опираемся на то, что уже умеем хорошо: синтезировать материалы, собирать электрохимические ячейки, проводить комплексную физико-химическую аттестацию материалов. С другой — проект выводит нас на принципиально новый для команды уровень по части инженерии и технологического дизайна.

Во-первых, мы серьезно усиливаем блок моделирования и кристаллохимического анализа. Нам важно не просто эмпирически подбирать составы, но и понимать, как изменение структуры влияет на подвижность ионов, устойчивость кристаллической решетки, поведение материала при многократном цикле заряда-разряда. Здесь мы задействуем современные методы структурного анализа, синхротронные источники, микроскопию высокого разрешения, различные спектроскопические методы — тот инструментарий, который в свое время осваивали на зарубежных стажировках и в международных коллаборациях.

Во-вторых, в проект встроена история про масштабирование технологий на площадке индустриального партнера. Наша роль — не только придумать материал, но и предложить технологию его получения до уровня сотен килограммов в год с учетом оборудования, которое реально может быть использовано на заводе. В Сколтехе у нас уже есть опыт работы с крупным оборудованием и пилотными линиями для литий-ионных материалов — реакторами и печами, которые способны производить десятки тонн материала в год. Мы планируем использовать этот опыт при подготовке технологических регламентов и конструкторской документации для натрийионных систем.

Источник: Пресс-служба РНФ

Еще один важный инструмент — это кооперация исследователей. Кроме Сколтеха в проект вовлечены сотрудники МГУ имени М. В. Ломоносова, Красноярского научного центра СО РАН, а также Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Каждый партнер привносит свои компетенции: где-то это химия и материаловедение, где-то электрохимия, где-то — инженерия и проектирование. Такой конгломерат из четырех организаций, по сути, создает распределенный центр компетенций по натрийионным аккумуляторам.

// Каким вы видите результат проекта?

Формально в заявке результат сформулирован довольно конкретно: мы должны получить опытные образцы натрийионных аккумуляторов в мягком пластиковом корпусе формата 100 × 100 мм, с номинальной энергией не менее 15 Вт·ч, удельной энергоемкостью от 130 Вт·ч/кг, заданными показателями по циклируемости, КПД, саморазряду, низкотемпературному поведению и скорости заряда. Это тот минимум, который мы обязаны выполнить.

Но если смотреть шире, мне бы очень хотелось, чтобы мы действовали на опережение, и к концу пятилетки у нас и у заказчика было не просто понимание, что технология жизнеспособна, а четкое ощущение: пора переходить к следующему шагу. И чтобы к этому моменту мы уже сделали хороший задел в сторону малотоннажного производства.

Натрий-ионные аккумуляторы не заменят литий, но точно займут значимое место на рынке. Как я уже говорил, медлить нельзя: если мы будем долго раздумывать, ждать завершения всех научных проектов и только потом начинать разговор о стратегии, — мы неизбежно будем в роли догоняющих. Наша команда совместно с партнерами сделает все зависящее от нее, чтобы Россия могла предложить собственную, конкурентоспособную технологию натрий-ионных аккумуляторов, основанную на отечественной сырьевой базе и собственной научной школе.

Станислав Федотов на встрече Президента России Владимира Путина с участниками Конгресса молодых ученых. Источник: Фотохост Конгресса молодых ученых / Алексей Никольский

И в этом смысле конкурс РНФ памяти Евгения Велихова стал для нас уникальным шансом. Он соединил запрос государства, интерес региона, готовность индустриального партнера и накопленный научный задел. Теперь наша очередь — превратить эту возможность в реальный технологический результат.