Компания «Комберри», резидент Ульяновского наноцентра, разработала принципиально новый тип системы для хранения энергии. «Батарейная тематика более чем за сто лет своей истории буквально забита патентами, — говорит гендиректор “Комберри” Андрей Редькин. — Создать в этой области что-то новое крайне сложно, кроме разве что отдельных материалов или компонентов. А мы патентуем новый класс устройств». Речь идет о псевдоконденсаторе — гибриде традиционной батареи и электрического конденсатора. Удельная плотность энергии (емкость) у этого устройства меньше, чем у батареи (но в разы больше, чем у суперконденсаторов), однако это компенсируется другими уникальными характеристиками.
Интернет вещей — дело тонкое
На разработку псевдоконденсатора ушло несколько лет, рассказывает Андрей Редькин, сейчас «Комберри» в процессе патентования технологии — недавно Всемирная организация интеллектуальной собственности WIPO подтвердила публикацию заявки на международный патент (это обеспечивает временную охрану изобретения и приоритет заявителя в указанных в заявке странах); кроме того, компания подала заявку в Роспатент. Это лишь одна из разработок компании — «Комберри» создана в 2013 году с участием наноцентров Ульяновска, Республики Мордовия и Дубны, а также американской Intermolecular, и ее команда инженеров занимается прикладными научными исследованиями в области многофункциональных тонкопленочных покрытий на различные материалы.
Псевдоконденсатор — устройство тонкопленочное и очень миниатюрное. Его толщина — около полутора микрон без учета подложки, оно в несколько раз тоньше, чем тонкопленочные твердотельные батареи. Это позволяет легко интегрировать его в микроустройства. «Имея площадь порядка шести-семи квадратных сантиметров, он полностью заряжается за 20–30 секунд и разряжается примерно за час на полезную нагрузку», — говорит Редькин. В отличие от батарей псевдоконденсатор умеет разряжаться до нуля и не терять рабочих характеристик. Заряжается он очень быстро по сравнению с той же батареей и имеет много циклов заряда-разряда, а это важно для питания аппаратуры, которая проводит измерения различных характеристик с определенной частотой, вплоть до нескольких раз в секунду.
Вторая важная характеристика псевдоконденсатора — он твердотельный, то есть в его основе лежит стеклянная подложка, на которую напыляются тонкие слои: катод, электролит, анод и другие специфические слои, в то время как в традиционных литий-ионных аккумуляторах используются жидкие электролиты.
Как считают в «Комберри», именно твердотельные источники энергии предпочтительны для устройств с низким энергопотреблением, таких как микросенсоры и датчики для интернета вещей (IoT), RFID-метки, банковские карты, модули RAM, медицинские микроустройства. Носителям заряда в этих областях применения нужны особые свойства: большой срок службы, от сотен тысяч до десятков миллионов циклов, и хранения — до десятков лет без изменений эксплуатационных параметров. Кроме того, они должны работать в широком диапазоне температур, а это сейчас проблема как для существующих видов твердотельных и полутвердых суперконденсаторов, так и для тех, которые основаны на жидком электролите. Устройства «Комберри» «выживают» при температуре от минус 100 до плюс 250 градусов (при рабочей температуре от минус 50 до плюс 150), так как в них отсутствуют жидкости и гелеобразные слои. А это уже серьезная заявка на применение таких конденсаторов, например, в арктических условиях, а то и в космосе.
Устроены эти псевдоконденсаторы особым образом: устройство обладает несколькими видами проводимости — электронной и литий-ионной, а еще в нем есть электроды Фарадея, как в батареях. Для создания напыляемых на подложку слоев используются только химически стабильные и безопасные неорганические материалы. «Мы осознанно ушли от применения лития, — поясняет Андрей Редькин. — Это высокоактивный металл, с которым трудно работать: ему требуются сухие условия, особые режимы взаимодействия, он очень неустойчив в части взаимодействия со средой — влагой и воздухом. Мы сделали свою систему пусть и меньшей емкости — у лития теоретическая емкость самая высокая из всех материалов, но зато более надежной и долговечной».
Повышенная выживаемость
Впервые «Комберри» представила свою разработку на выставке ID TechEx Show! в Берлине в 2017 году, и сразу к ней был проявлен интерес, причем привлекательной оказалась прежде всего способность псевдоконденсатора работать при экстремальных температурах.
Сегодня «Комберри» работает с несколькими зарубежными компаниями, заинтересованными в новых технологиях хранения энергии. Среди них и английская Silent Sensors, которая занимается интеграцией сенсоров в различные виды эластомеров и полимеров, в первую очередь в автомобильные шины. «Больше нигде в мире они не нашли подходящей системы питания. Сейчас мы совместными усилиями создаем прототип устройства для шины. Работать это будет так: колесо при вращении выделяет энергию, которая копится в нашем псевдоконденсаторе, а он питает микродатчики, собирающие данные о различных характеристиках, например о давлении и температуре в шине. Затем эта информация передается на бортовой компьютер автомобиля. Это будет беспроводная энергонезависимая система». Важно, что псевдоконденсаторы можно устанавливать непосредственно в шину. «Ни одни в мире тонкопленочные батареи в шины поместить невозможно, так как температура процесса вулканизации — около 180 градусов, и они просто не выдерживают», — утверждает Андрей Редькин.
Другие примеры возможного применения твердотельных псевдоконденсаторов — инсталляция таких устройств в датчики, которые установлены на крыльях самолетов или на лопастях турбин крупных энергетических установок, для снятия показателей уровня обледенения и условий окружающей среды (температуры, влажности и других характеристик). Но это лишь малая часть возможных вариантов использования подобных устройств.
Миллиарды устройств в будущем
Как такового рынка тонкопленочных устройств питания еще не существует — по крайней мере, серийно они не производятся. Но его потенциал — миллионы устройств. В ближайшие пять-десять лет вопрос обеспечения энергией сенсоров интернета вещей будет стоять очень остро, считают в «Комберри». Нужны устройства маленького размера, достаточной емкости и по низкой цене, и при этом энергонезависимые (с перезаряжаемой батарейкой или устройством вроде суперконденсатора). Вместе с зарубежными партнерами, у которых есть похожее производство источников энергии, в компании даже рассчитали цену своих псевдоконденсаторов: при объеме продаж на уровне от одного до пяти миллионов устройств в год это будет порядка пяти долларов за штуку (это дорого, но уже позволит «закрыть» ряд применений), а если более 20 млн — уже один доллар, что должно сильно расширить рынок. «На самом деле речь идет о необъятном рынке. Сейчас сенсоры есть в телефонах, компьютерах, кондиционерах, но очень скоро будут почти во всех предметах, которые мы видим», — говорит Андрей Редькин.
Разумеется, есть и другие типы источников энергии для датчиков и сенсоров в сфере интернета вещей. Периодически анонсируется выход на рынок разных типов твердотельных батарей и конденсаторов, однако в большинстве случаев их производство остается слишком дорогим и немасштабируемым. Однако у устройств «Комберри» тоже есть свои ограничения, по крайней мере по емкости, которая иногда не соответствует потребностям потенциальных покупателей. Например, она оказалась слишком низкой для производителя «умных» кроссовок, считающих шаги (датчики в подошвах должны передавать информацию через Bluetooth). Компания-производитель так и не смогла найти подходящие перезаряжаемые батареи нужной емкости и с необходимым количеством циклов зарядки.
К 2023 году в мире в рамках концепции интернета вещей и промышленного интернета к сети будет подключено порядка 20 млрд устройств, при этом на долю технологий Short Range, или «последних ста метров», будет приходиться 17,4% рынка (речь идет о беспроводной сети малого радиуса действия, к таким технологиям относят ряд стандартов связи, в том числе Bluetooth и NFC). «Устройства сверхнизкого потребления, учтенные в этих цифрах, считаются перспективным и активно развивающимся рынком. Заявленный “Комберри” диапазон рабочих температур — хорошее конкурентное преимущество перед обычными суперконденсаторами и задел на среднесрочное будущее, однако в краткосрочной перспективе (один–три года) маловероятно резкое увеличение спроса на такие рабочие характеристики», — отмечает Анастасия Пердеро, менеджер проекта Internet of Energy Центра энергетики Московской школы управления «Сколково».
По мнению Петра Лукьянова, партнера венчурного фонда Phystech Ventures, успех «Комберри» будет больше зависеть от габаритов суперконденсаторов, нежели от скорости зарядки, которую они обеспечивают. «Однако ключевой проблемой большинства подобных проектов является низкая удельная энергоемкость по сравнению с классическими литий-ионными батареями — в десять-двадцать раз ниже, — комментирует он. — Отдельные разработчики твердотельных суперконденсаторов смогли достичь более высоких показателей за счет использования графена, однако это радикально влияет на себестоимость, так как качественный графен стоит дорого. Потребуется не менее пяти-десяти лет, прежде чем технология станет конкурентоспособной по показателям и цене. Подобных проектов сотни в США и Китае, но больших успехов они не достигают».
В «Комберри» нацелены на продажу технологии производства твердотельных псевдоконденсаторов зарубежной или российской компании в перспективе нескольких лет. Интерес к «батарейным» стартапам в мире только растет. Пока проект активнее развивается, скорее, в сотрудничестве с зарубежными партнерами. По словам Андрея Редькина, с российскими технологическими компаниями отношения по непонятным причинам не заходят дальше разговоров: «Возможно, слишком большой технологический разрыв между тем, что мы делаем, и их целями и задачами, — добавляет он. — Или у них еще нет ориентиров в конкретных областях применения датчиков».
