О том, почему литий называют «белой нефтью», как учёные заглядывают внутрь работающей батареи и какую роль в этом играют исследования Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, рассказывают сотрудники института: ведущий научный сотрудник МИИ ИМ ЮФУ Михаил Солдатов, инженер-исследователь Максим Грицай и инженер Венедикт Скляров.

Элемент, найденный в камне

В 1817 году шведский химик Юхан Август Арфведсон, работая в лаборатории великого Йёнса Якоба Берцелиуса, анализировал минерал петалит, привезённый с острова Уте. В продуктах разложения он обнаружил неизвестную «огнепостоянную» щёлочь, заметно отличавшуюся от натриевой и калиевой. Берцелиус предложил название «литион» — от греческого λίθος, «камень», подчеркнув, что новый элемент, в отличие от натрия и калия, был впервые найден именно в минерале, а не в растительном материале. Металлический литий в чистом виде удалось получить позже — в 1855 году Роберт Бунзен и Август Маттессен провели электролиз расплавленного хлорида лития.

Литий — самый лёгкий металл на Земле: его плотность вдвое меньше плотности воды. Серебристо-белый, настолько мягкий, что его можно резать обычным ножом. Он открывает группу щелочных металлов, и его единственный валентный электрон делает его одним из самых химически активных элементов — литий энергично реагирует с водой, а на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой. Но именно этот «беспокойный» электрон и маленький ионный радиус сделали литий главным героем современной энергетики.

Белая нефть XXI века

Если XX век был веком нефти, то XXI всё чаще называют веком лития. Мировой рынок литий-ионных аккумуляторов в 2024 году оценивался в 75,2 миллиарда долларов, и его рост продолжает ускоряться. Электромобили, смартфоны, ноутбуки, системы хранения энергии от солнечных и ветряных электростанций, медицинские приборы — всё это работает на литий-ионных батареях.

Принцип их действия элегантно прост: ионы лития перемещаются между катодом и анодом через электролит, перенося заряд. При разряде литий покидает анод и встраивается в структуру катода, при заряде — возвращается обратно. Ключевое преимущество лития — его исключительно малый атомный радиус и высокий электрохимический потенциал, что обеспечивает батареям рекордную плотность энергии при минимальном весе.

Однако за видимой простотой скрывается сложнейшая наука. Каждый компонент батареи — от материала электродов до связующего полимера — влияет на ёмкость, скорость заряда и срок службы. Именно здесь на первый план выходит материаловедение.

Что происходит внутри батареи: взгляд из Ростова-на-Дону

В Международном исследовательском институте интеллектуальных материалов ЮФУ разработан новый подход к созданию анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов — и одновременно уникальный метод наблюдения за тем, что происходит внутри батареи прямо во время её работы.

Главный стандартный анодный материал современных литий-ионных батарей — графит. Он надёжен и хорошо изучен, но имеет существенные ограничения: медленная диффузия ионов лития ограничивает скорость заряда, а на поверхности графитового электрода могут расти дендриты — микроскопические «иглы» из металлического лития, способные вызвать короткое замыкание и даже возгорание батареи.

«Мы предложили использовать вместо графита наночастицы оксида железа — маггемит, γ-Fe₂O₃. Теоретическая ёмкость этого материала составляет около 1000 мА·ч·г⁻¹, что почти втрое превышает ёмкость графита. При этом оксид железа нетоксичен, дёшев, устойчив к коррозии и не горюч — а значит, безопаснее», — рассказывает Михаил Солдатов.

Микрофлюидика: фабрика наночастиц, напечатанная на 3D-принтере

Но как получить наночастицы нужного размера и качества? Традиционные методы синтеза — осаждение в колбе, термическое разложение, золь-гель процесс — часто дают неконтролируемые агрегаты, требуют множества стадий очистки или высоких температур. Учёные ЮФУ пошли другим путём.

«Мы разработали микрофлюидное устройство, напечатанное на 3D-принтере, в которое встроены пористые мембраны. Реагенты — растворы хлоридов железа и гидроксид аммония — встречаются не в открытом объёме, а в микроскопических зонах, контролируемых порами мембраны. Это позволяет подавить агрегацию и получить частицы с узким распределением по размеру — около 7 нанометров — и высокой удельной поверхностью порядка 120 м² на грамм. Выход реакции при оптимальном выборе мембраны из гидрофильного полиэфирсульфона достигает 98%», — объясняет Максим Грицай.

Фото: Экспериментальная установка для микрофлюидного синтеза маггемита. На врезке (a-c) детализировано внутреннее устройство и принцип работы мембранной ячейки. На фотографии общего плана красным цветом выделена сама ячейка, интегрированная в систему автоматической подачи реагентов под управлением ПК.

Этот подход принципиально отличается от классического синтеза в колбе: микрофлюидная система работает непрерывно, не засоряется и даёт воспроизводимый результат от запуска к запуску. Фактически это прототип промышленной технологии производства наноматериалов.

Связующее имеет значение

Синтез наночастиц — лишь полдела. Чтобы превратить порошок в работающий электрод, его нужно смешать с проводящей добавкой и полимерным связующим, а затем нанести на медную фольгу. Казалось бы, связующее — второстепенный компонент. Однако выбор полимера радикально меняет поведение батареи.

«Мы сравнили два связующих: широко используемый поливинилиденфторид (PVDF) и водорастворимую карбоксиметилцеллюлозу (CMC). Результат оказался весьма убедительным: при замене PVDF на CMC разрядная ёмкость на пятидесятом цикле составила 663 мА·ч·г⁻¹ при плотности тока 100 мА·г⁻¹ — и даже при десятикратном увеличении тока ёмкость оставалась на уровне 420 мА·ч·г⁻¹, что превышает теоретическую ёмкость графита. При возвращении к начальному току ёмкость восстановилась до 90% от первоначальной — это говорит о высокой стабильности материала», — отмечает инженер Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Венедикт Скляров.

Дело в том, что при внедрении лития кристаллическая решётка оксида железа расширяется — и связующее должно «дышать» вместе с ней. CMC, в отличие от жёсткого PVDF, лучше компенсирует объёмные изменения, сохраняя электрический контакт между частицами.

Подробнее о методике синтеза, электрохимических испытаниях и результатах in situ диагностики можно прочитать в научной статье, опубликованной коллективом института в журнале Ceramics International.

Рентгеновский взгляд в реальном времени

Пожалуй, самая впечатляющая часть исследования — наблюдение за химическими превращениями внутри работающей батареи в режиме реального времени с помощью синхротронной рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS).

«Рентгеновская абсорбционная спектроскопия — это метод, который позволяет "видеть" окружение конкретного типа атома в веществе: его степень окисления, расстояния до соседних атомов, координационные числа. Мы модифицировали стандартные дисковые ячейки CR2032, вырезав в корпусе лазером окошко диаметром 2,5 мм и заклеив его каптоновой плёнкой, прозрачной для рентгеновского излучения. Это позволило направить пучок синхротрона прямо на электрод внутри работающей батареи — и отслеживать, как меняется химический состав анода на каждом этапе заряда и разряда», — поясняет Михаил Солдатов.

Таким образом можно понять фундаментальные механизмы, стоящие за процессами, стоящими за ограничениями емкости или деградацией аккумуляторов, чтобы на практике оптимизировать материалы и разработать технологии более эффективных и долговечных аккумуляторов.

Эксперименты проводились на станции СТМ Курчатовского источника синхротронного излучения. Учёные подготовили десять ячеек, каждая из которых была остановлена на определённом этапе электрохимического цикла — от свежесобранной батареи до третьего полного цикла заряда-разряда.

Анализ спектров методом линейной комбинации эталонных спектров (маггемит, магнетит, металлическое железо и феррит лития) показал детальную картину превращений. В начале разряда литий встраивается в структуру оксида железа, образуя промежуточные литий-железо-оксидные фазы. По мере углубления разряда ионы Fe³⁺ последовательно восстанавливаются: сначала до Fe²⁺, а затем до металлического железа Fe⁰. На стадии полного разряда более 80% железа оказывается в металлическом состоянии.

«Ключевое наблюдение — процесс не полностью обратим. При обратном заряде часть металлического железа не возвращается в оксидную форму. Именно эта необратимая составляющая объясняет, почему кулоновская эффективность первого цикла составляет лишь около 69%, и почему со временем ёмкость батареи постепенно снижается. Понимание этих механизмов на атомном уровне даёт ключ к тому, как улучшить материал — например, путём управления морфологией наночастиц или введения защитных покрытий», — подчёркивает Михаил Солдатов.

Литий и Россия: стратегическая гонка

Вопрос литиевой независимости для России стоит не менее остро, чем вопрос гелия. Запасы лития на территории страны составляют 3,5 млн тонн оксида лития, сосредоточенные преимущественно в Мурманской области (Колмозёрское месторождение), Сибири и на Дальнем Востоке. В 2025 году впервые за более чем 20 лет были открыты новые месторождения лития, а вице-премьер Дмитрий Патрушев заявил, что Россия сможет отказаться от зарубежных поставок лития к 2028 году.

Параллельно развивается производство литий-ионных аккумуляторов. «Росатом» открыл фабрику в Калининграде в декабре 2025 года, на 2026 год запланирован запуск московского производства — в совокупности они рассчитаны на выпуск батарей для 100 тысяч электромобилей в год. Разработка отечественных технологий производства катодов, анодов и электролитов утверждена в рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии».

Именно в этом контексте исследования ЮФУ приобретают особое значение. Микрофлюидный синтез наноматериалов, оптимизация электродных составов и диагностика батарей на синхротроне — всё это звенья одной цепи, которая ведёт к созданию отечественной технологической базы для литий-ионной энергетики.

Что дальше: постлитиевый горизонт

Литий-ионные батареи далеки от совершенства. Проблемы деградации электродов, безопасности, зависимости от дорогих материалов катода (кобальт, никель) стимулируют поиск альтернатив: натрий-ионных, калий-ионных, твердотельных батарей. Однако литий, вероятнее всего, останется доминирующим элементом электрохимических накопителей энергии ещё как минимум на два десятилетия. Между тем литий — далеко не только батареи.

Карбонат лития остаётся одним из базовых препаратов в психиатрии для лечения биполярного расстройства. Несмотря на появление более современных нормотимиков, литий всё ещё единственный препарат, который обладает доказанным антисуицидальным эффектом и снижает риск смерти у пациентов с аффективными расстройствами. Недостаток такого лечения в том, что у карбоната лития крайне узкое «терапевтическое окно». Разница между лечебной дозой и токсичной настолько мала, что пациенты обязаны регулярно сдавать кровь на анализ концентрации лития. Но результат того стоит, ведь у большинства пациентов препараты лития приводят к рецессии болезни и возвращению к нормальной жизни.

Литиевые сплавы применяются в аэрокосмической отрасли — они легче и прочнее алюминия. А стёкла и керамика с добавкой лития обладают пониженным коэффициентом теплового расширения, что критично для телескопов и высокоточной оптики.

Таким образом, третий элемент таблицы Менделеева — самый лёгкий металл, спрятавшийся когда-то в шведском камне, — оказался тем фундаментом, на котором строится энергетический переход человечества. А учёные ЮФУ вносят свой вклад в эту глобальную историю, работая на переднем крае науки о материалах — от нанометровых частиц до синхротронных пучков.

Автор текста: Венедикт Скляров

Ред: Алексей Романенко