История графена, материала, открытого в 2004 году, — яркий пример преждевременного технологического оптимизма. Графен привлек внимание публики своими свойствами — он в 200 раз прочнее и в шесть раз легче стали и обладает огромной электро- и теплопроводностью. Но одно дело наблюдать за материалом крошечного размера в лаборатории, совсем другое — масштабировать его.
Графен относится к двумерным материалам, уникальные электрические свойства которых обещают прорывные применения. Так, двумерные материалы могут образовывать регулируемые энергетические щели, которые можно настраивать на длину волны солнечного света, благодаря чему они становятся идеальным материалом для производства сверхэффективных солнечных панелей. Привлекает внимание и невероятная прочность двумерных веществ. Было установлено, что даже двухслойный графен в результате фазового перехода может стать тверже и прочнее алмаза.
Но волшебных свойств оказалось недостаточно, чтобы произошла графеновая революция. Между открытием материала и его появлением в батареях смартфонов или электрокаров лежит пропасть. Хуже того, материал может оказаться и вовсе невостребованным: достаточно вспомнить фуллерен, которому все пророчили огромное будущее в 1980-е годы, но никаких революционных применений материала так и не появилось. Как бы то ни было, исследования продолжаются. Графеном в мире занимаются более 300 компаний, в том числе в рамках крупнейшей исследовательской инициативы Евросоюза Graphene Flagship с бюджетом миллиард евро.
Джеймс Бейкер, исполнительный директор Национального института графена в Манчестерском университете, считает, что материал еще молод и даже двадцати лет недостаточно, чтобы совершить отраслевую революцию. Предстоит преодолеть множество сложностей при получении и обработке графена, которые сейчас делают его слишком дорогим. Стоимость производства графена оценивается в тысячи долларов за килограмм, что лишает его конкурентоспособности по сравнению с другими современными материалами. Это подтвердил «Эксперту» и заместитель директора малого инновационного предприятия «Графен» Григорий Александров. По его словам, массовому внедрению на рынок препятствует высокая стоимость оксида графена и углеродных нанотрубок, необходимых для изготовления графеновых компонентов.
Большая часть патентов на технологию графеновых аккумуляторов сейчас принадлежит компаниям из Испании, Южной Кореи и Китая, однако г-н Александров полагает, что производство графеновых батарей будет сосредоточено в Китае или на Тайване.
Сооснователь Ora Graphene Audio (компания специализируется на производстве аудиоустройств с использованием графена) Ари Пинкас считает главным ограничением отсутствие надежных и доступных методов производства графена. По его словам, сейчас трудно получить высококачественный графен с сохранением всех его свойств в объемах, необходимых для массового производства. Даже малейшие дефекты материала будут негативно сказываться на его прочности, гибкости, электро- и теплопроводности.
Руководитель научно-исследовательской лаборатории компании IDTechEx Хаша Гаффарзаде считает, что до переломного момента, когда графен станет достаточно дешевым и найдет достаточное количество применений, чтобы широко внедрить его в промышленность, остается еще как минимум два года. Сдержанные оценки по поводу темпов внедрения графена дает и глава исследований в сфере технологий, медиа и телекоммуникаций компании Deloitte Пол Ли, который уверен, что в ближайшие пять лет повсеместной замены литий-ионных батарей графеновыми не случится.
Надежды остаются
Хотя сверхоптимизма инвесторов по отношению к графену уже нет, ряд компаний продолжают надеяться на успех. Среди них британская Applied Graphene Materials, которая была создана в 2010 году при поддержке Даремского университета. Компания экономически выигрывает за счет производства графена из этанола, а не из графита, и в настоящее время совершенствует собственную запатентованную технологию Structural Ink, применяемую для нанесения графена на композитные материалы. В партнерстве с французским концерном Airbus компания также ищет способы применения графена при производстве спутников.
Другой пионер графена — валлийская компания Haydale, которая нашла способ использования материала в чернилах и красках. Имея в своем распоряжении четыре плазменных реактора, компания добавляет графен в композитные материалы. Несмотря на то что в 2018 году Haydale столкнулась с финансовыми трудностями, председатель совета директоров Дэвид Бэнкс считает, что в перспективе компания выиграет от массовой коммерциализации графена. Несколько лучше дела идут у британской Versarien, которая производит графеновые пластинки и чернила и недавно подписала с южнокорейской компанией Axia Materials соглашение о совместной разработке улучшенных композитных материалов для использования в аккумуляторах электрокаров и встроенных сенсорах умных домов.
Пока графен более или менее успешно можно применить только для улучшения обычных литий-ионных аккумуляторов. Прошел почти год с тех пор, как в Samsung заявили, что разработали графеновый материал для аккумулятора, — графен дополняет привычную технологию: тонким слоем графеновых «шариков» покрыты электроды аккумулятора. Было заявлено, что он полностью заряжается за 12 минут — в пять раз быстрее, чем обычные литий-ионные аккумуляторы. Но пока аккумулятора никто не видел.
Над внедрением графеновых технологий в производство аккумуляторов для смартфонов работает и Huawei. В аккумуляторе, который компания выпустила в 2016 году, графен использовался для снижения его температуры при работе. Теперь же в технологическом сообществе распространилась информация (правда, неподтвержденная), что литий-ионной батареей с использованием графена будет оснащен смартфон Honor Magic 2, который Huawei намерена выпустить в декабре. А каталонский стартап Earthdas планирует наладить производство первых коммерчески рентабельных графеновых аккумуляторов, которые, по словам разработчиков, заряжаются в 12 раз быстрее сегодняшних литий-ионных батарей, а их емкость больше на 60 процентов. Предполагается, что первые три тысячи аккумуляторов будут готовы уже в этом году. Если планы компаний реализуются, их проекты станут первыми примерами массового производства аккумуляторов с содержанием графена.
Литий не заменить
Оптимисты надеются, что графен сможет реализовать свой коммерческий потенциал. Манчестерский университет даже создал Инженерный и инновационный центр графена стоимостью 60 млн фунтов, цель работы которого — ускорить коммерциализацию материала. Однако наивно ожидать, что графен заменит литий. Несмотря на появление отдельных проектов, связанных с графеном, даже по оптимистическим прогнозам британской компании Allied Market Research, к 2022 году объем рынка графеновых батарей достигнет всего 115 млн долларов (сегодня не более 40 млн). Это несравнимо с объемом рынка литий-ионных батарей, который оценивается в 30 млрд долларов, а к 2022 году, как ожидается, удвоится.
Если Международное энергетическое агентство не ошибается насчет роста числа электромобилей на дорогах до 125 млн с текущих трех миллионов к 2030 году, то становится очевидно, что графен никак не сможет помочь новому сегменту рынка. Кто бы ни коммерциализировал новые батареи первым, быстро масштабировать производство графена не удастся. Качество продукции уже вызывает вопросы: не так давно Национальная физическая лаборатория Великобритании запустила инициативу, призванную помочь компаниям проверить качество графена, который те приобретают.
Надежда, что спрос на графен обеспечат смартфоны, тоже ничем не оправдана — их мировые продажи не показывают былых темпов роста (во втором квартале 2018 года, по данным консалтинговой компании IDC, продажи смартфонов даже упали на 1,8% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года).
Литий-ионные аккумуляторы останутся основной технологией, а представители ЕС и США продолжат опасаться, что амбициозные планы Китая в сфере электромобилей еще сильнее укрепят позиции страны на этом рынке. Сегодня производство лития остается во власти всего нескольких компаний: американской Albemarle, чилийской Sociedad Química y Minera de Chile и китайских Tianqi Lithium и Ganfeng Lithium, которые добывают литий в Австралии. По мнению главного технического директора компании Lithium Americas доктора Дэвида Дика, для полного перехода на электротранспорт нужно увеличить ежегодное производство лития с нынешних 182 тыс. тонн до 3,1 млн тонн.
По всей видимости, графеновые аккумуляторы в ближайшие годы генерировать прибыль не смогут и останутся в области НИОКР. Только когда удастся создать углеродные наноматериалы, по стоимости сравнимые с углеродным волокном (10–30 долларов за килограмм), можно будет говорить о новом поколении накопителей энергии, «носимой» электроники, сверхпрочных композитных материалов.
Эксперт Graphene Flagship, профессор Института фотоники в Барселоне Франк Коппенс, выступая на конгрессе Mobile World 2018, сказал: «Удивительно, что люди говорят о чрезмерно долгом пути графена к коммерциализации. Если вы оглянетесь в прошлое, то увидите, что раньше новые технологии выходили на рынок намного дольше, чем графен. Технологии, лежащие в основе ваших смартфонов, появились тридцать-сорок лет назад — это более двух десятков Нобелевских премий». Впрочем, вопрос в том, не как скоро произойдет коммерциализация, а произойдет ли она вообще.
