Основные направления развития аккумуляторных технологий: патентный взгляд

Анатолий Нистюк,
к.х.н., патентный поверенный РФ,
евразийский патентный поверенный,
юридическая фирма «Городисский и Партнёры»

Современное общество все больше зависит от надежных источников энергии для широкого спектра применений. Сегодня в этом качестве химические источники тока (ХИТ) используются уже повсеместно, например, в телефонах, ноутбуках и автомобилях, но рост рынков потребительской электроники, глобальный переход к возобновляемым источникам энергии, массовая электрификация транспорта и все большее распространение стационарных систем накопления энергии промышленного, регионального и местного значения спровоцировали беспрецедентный бум в сфере электрохимических технологий аккумулирования электроэнергии (далее – аккумуляторных технологий).

Так, к примеру, с ростом важности электромобильности со стороны спроса и возобновляемых источников энергии со стороны предложения, работающих с переменной выходной мощностью ввиду зависимости от погодных условий, важной задачей стало их балансирование во времени.

В данной обзорной статье аккумуляторные технологии рассматриваются в первую очередь с точки зрения их патентования, которое, как известно, позволяет заблаговременно выявить основные направления и важные тенденции развития различных отраслей техники, ведь анализ патентных документов позволяет заглянуть за горизонт коммерческих продуктов и увидеть технологии, которые выйдут на рынок в ближайшем будущем, скажем, через 3-7 лет, или даже в более отдаленной перспективе, например, через 10-20 лет.

Общий обзор

Согласно сценарию устойчивого развития (СУР) Международного энергетического агентства (МЭА), к 2040 году ежегодно в энергетической системе потребуются аккумуляторы и другие виды накопителей электроэнергии на примерно 10000 ГВт•ч, по сравнению с примерно 200 ГВт•ч в 2020 г., т.е. прогнозируется рост в 20 раз за 20 лет. Для решения этой задачи необходим значительный прогресс в поиске способов накопления электроэнергии в больших количествах и по цене, доступной для поставщиков и потребителей. При этом, по данным того же исследования1, международная патентная активность в области накопителей электроэнергии росла с начала XXI века значительно быстрее, чем в целом по всем отраслям техники, что указывает на всплеск инноваций в этой технической области, возглавляемый литий-ионными аккумуляторными батареями.

Так, например, во всем мире в 2000 году было опубликовано 1029 международных патентных семейств (IPF ), связанных с накоплением электроэнергии, по сравнению с более чем 7000 IPF в данной области техники в 2018 году, т.е. средний за 18 лет рост по этому показателю составил почти 7 раз, при этом, хотя устойчивая тенденция к росту наблюдалась уже с 2000 года, с 2005 года отмечается заметное ее ускорение с ежегодным темпом роста в 14% до 2018 года, по сравнению со средним темпом роста для всех областей техники всего лишь в 3,5%, т.е. в эти годы число международных патентных семейств на аккумуляторные технологии росло в 4 раза быстрее, чем в среднем по всем отраслям техники.

Если же обратиться от частного случая международных патентных семейств к более общей статистике по числу патентных семейств, то упомянутая выше тенденция к росту станет еще заметнее.

Так, например, патентная активность в области аккумуляторных технологий, относящихся к подклассу H01M «Способы и устройства, например батареи, для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую» Международной патентной классификации (МПК) и Совместной патентной классификации (СПК), выросла за последнее десятилетие (2015-2025 гг.) во всем мире более чем на 400%.


Рисунок 1.
Динамика глобальной патентной активности по основным аккумуляторным технологиям за 2015-2025 гг.

Согласно отчету «Battery Report 2025» (см. рисунок 1 выше), за последние 10 лет патентная активность в области аккумуляторных технологий устойчиво растет. Как показано гистограммой в виде столбиков серого цвета с привязкой к левой оси ординат в левой основной части рисунка 1, общее число патентных публикаций по всем видам аккумуляторов увеличилось с примерно 40000 в 2015 году до примерно 143000 в 2025 году, т.е. чуть более чем в 3,5 раза. При этом числа патентных публикаций по отдельным конкретным видам аккумуляторов показаны на рисунке 1 кривыми разного цвета с привязкой к правой оси ординат, причем на левой основной части рисунка 1 четко видно, что среди них доминирует показанная кривой красного цвета технология литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, по которой число патентных публикаций увеличилось с примерно 11250 в 2015 году до примерно 35625 в 2025 году, т.е. примерно в 3,2 раза, а это значит, что пока литий-ионные батареи по-прежнему остаются основным направлением инноваций во всем мире. В то же время, как видно на левой основной части и на правой увеличенной части рисунка 1, показанная кривой фиолетового цвета технология натрий-ионных (Na-ion) аккумуляторов вышла недавно на второе место и демонстрирует быстрый рост числа патентных публикаций, причем особенно быстрый начиная с 2021 года: если ее рост с примерно 600 публикаций в 2015-ом до примерно 1700 публикаций в 2019-ом году составил около 2,8 раза за пять лет, то затем, после небольшого спада в 2020-ом году (вероятно, из-за пандемии коронавируса), он резко ускорился с примерно 1800 публикаций в 2021 году до примерно 10750 публикаций в 2025 году, т.е. в 6 раз за пять лет. Третье место теперь занимает показанная кривой коричневого цвета технология проточных редокс-аккумуляторов (redox-flow batteries): ее патентование выросло с примерно 1000 публикаций в 2015-ом до примерно 1580 публикаций в 2019-ом году, т.е. в 1,58 раза за пять лет, а затем, опять же после небольшого спада в 2020-ом, ее рост тоже ускорился с примерно 1580 публикаций в 2021-ом до примерно 3000 публикаций в 2025 году, т.е. примерно в 2 раза за пять лет. Вместе с тем, все более заметной становится показанная кривой синего цвета технология цинк-ионных (Zn-ion) аккумуляторов, патентование которой стремительно выросло с примерно 20 публикаций в 2015 году до примерно 1120 публикаций в 2025 году, т.е. примерно в 56 раз (!) за десять лет, и которая за счет такого рывка вышла на четвертое место в 2025 году, в первую очередь благодаря китайским заявителям – академическим и научно-исследовательским организациям. При этом уступила ей четвертое место и занимает сейчас почетное пятое место показанная кривой темно-зеленого цвета технология литий-серных (Li-S) аккумуляторов, испытавшая значительный рост патентования с примерно 500 публикаций в 2015-ом до примерно 1200 публикаций в 2019-ом году, т.е. в 2,4 раза за пять лет, а затем, опять же после спада в 2020 и 2021 годах, вышедшая на довольно стабильный уровень чуть менее чем 1000 публикаций ежегодно с 2022 по 2025 годы, т.е. достигнув по сути насыщения. Наконец, другие перспективные и альтернативные химические системы демонстрируют в целом стабильный уровень подачи заявок из года в год, составляющий примерно 200-600 патентных заявок.

Если рассматривать самые последние глобальные тенденции развития аккумуляторных технологий в плане того, каким именно конструктивным элементам и особенностям аккумуляторных батарей посвящены патентные заявки, например, за последние два года, то мы увидим (см. рисунок 2 ниже), что наибольшее число патентных семейств (более 35000 в 2025 году) относится к изобретениям, касающимся систем управления батареями (BMS), а на втором и третьем местах – изобретения, относящиеся к конструктивным особенностям аккумуляторных модулей и аккумуляторных элементов, соответственно около 20000 и 15000 патентных семейств в 2025 г.


Рисунок 2.
Глобальная патентная активность в 2024 и 2025 году по числу патентных семейств в области аккумуляторных технологий с разбивкой по основным темам инноваций.

При этом по числу опубликованных в 2025 году патентных заявок по отношению к 2024-му году отмечается ускоренное развитие токоотводов (+14%), связующих и электролитов (по +13%), сепараторов (+9%), BMS и аккумуляторных элементов (по +7%), причем изобретения в области электролитов в основном охватывают усовершенствованные составы жидких электролитов для достижения более высокого рабочего электрического напряжения и лучшей стабильности, а также твердые электролиты, а изобретения в области аккумуляторных элементов касаются их состава, архитектуры и способов производства. Напротив, число заявок, относящихся к вторичной переработке аккумуляторов, демонстрирует незначительный спад (-6%), несколько больший спад (-14%) – по анодным материалам, а самый значительный спад (-28%) – по катодным материалам, что, вероятно, свидетельствует о достижении насыщения в исследованиях и разработках по этой тематике, в то время как число заявок на термоматериалы остается практически стабильным (-1%).

Если рассматривать географический аспект патентования аккумуляторных технологий в общем, то по данным Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС или WIPO) и Европейского патентного ведомства (ЕПВ или EPO), безусловное лидерство в патентовании этих технологий за последнее десятилетие принадлежит странам Азии, таким как Китай, Япония, Южная Корея, за которыми с некоторым отрывом идут США и Европа.

Обращаясь к конкретному примеру США, в качестве наглядной иллюстрации быстрого увеличения патентной активности в области аккумуляторных технологий можно сослаться на появившийся в самом начале 2026 года статистический обзор IFI наиболее быстрорастущих технологических областей, подготовленный на основании анализа числа заявок на патент США, опубликованных за 2021-2025 годы. Следует отметить, что представленные там данные основаны именно на заявках на патент США, поданных в Ведомство по патентам и товарным знакам США (USPTO) и опубликованных им, а не на уже выданных им патентах США. Дело в том, что заявки на патенты являются более точным индикатором будущих технологий из-за довольно длительного промежутка времени между подачей заявки и выдачей по ней патента, который может зачастую составлять несколько лет. Заявки на патенты публикуются спустя 18 месяцев с даты их подачи, поэтому они служат более актуальным показателем того, куда движутся будущие технологии. В указанном обзоре IFI особенно интересен перечень десяти самых быстрорастущих технологий за 2025 год, поскольку технологии в нем тематически тесно связаны, причем пять из десяти самых быстрорастущих технологий в том году относятся к электрохимии, в частности, к аккумуляторным батареям и электролитическим процессам. При этом среди наиболее крупных и быстрорастущих сейчас видов аккумуляторных технологий, относящихся к подклассу H01M СПК, выделяются следующие (см. нижеприведенную таблицу 1, составленную на основании данных из обзора IFI):

Таблица 1.
Самые крупные и быстрорастущие рубрики аккумуляторных технологий в подклассе H01M СПК по числу заявок на патент США, опубликованных в 2025 году.




Рисунок 3.
Рост числа заявок на патент США в рубрике H01M 50/00 за 2021-2025 гг. согласно обзору IFI.

Из вышеприведенной таблицы 1 явно видно, что наиболее быстрорастущей является рубрика H01M 50/00, включающая гибридные элементы и продемонстрировавшая среднегодовой рост на 18,2% (см. также рисунок 3 выше). Гибридные элементы сочетают в себе различные типы электрохимических технологий, такие как, например, аккумуляторы и конденсаторы, что делает такой гибридный накопитель энергии обладающим более высокими плотностью энергии и скоростями заряда и разряда. Эта рубрика сосредоточена на неактивных частях гибридных элементов: корпусах, уплотнениях, разъемах и других составляющих обеспечивающих их функционирование (включая их конструирование и изготовление).

Из приведенного ниже рисунка 4 видно, что безусловным лидером в этой технологической области, имея 4060 заявок в указанной патентной рубрике H01M 50/00 за рассматриваемый пятилетний период, является компания LG Energy Solution – лидер в области литий-ионных аккумуляторов. Более того, компания LG позиционирует себя как обладательница крупнейшего в мире портфеля связанных с аккумуляторами патентов, насчитывающего более 80000 патентов . При этом также наблюдается явное доминирование компаний из Южной Кореи – LG Energy Solution Ltd и Samsung SDI company Ltd, за которыми следует основанная в Китае компания Contemporary Amperex Technology (CATL) и японская корпорация Toyota Motor Corporation.


Рисунок 4.
Пять ведущих заявителей по числу заявок на патент США в рубрике H01M 50/00, опубликованных за 2021-2025 гг., согласно обзору IFI.

Вместе с тем, общая картина патентной активности меняется и географически постепенно смещается: сейчас Китай лидирует по объему заявок как в традиционных литий-ионных (Li-ion) технологиях, так и в быстро развивающихся технологиях натрий-ионных (Na-ion) аккумуляторов, перспективных технологиях твердотельных аккумуляторов, способах вторичной переработки аккумуляторных батарей. Крупные игроки (CATL, BYD, LG Energy Solution, Samsung SDI, Toyota и др.) параллельно наращивают свои патентные портфели по электрохимии, производству и системной интеграции (см. таблицы 2 и 3 ниже).

Таблица 2.
Крупные блоки патентования в аккумуляторных технологиях.



Таблица 3.
Топ-5 корпораций по количеству действующих патентов в сфере аккумуляторных технологий.



Литий-ионные аккумуляторы

Теперь более подробно рассмотрим доминирующую сейчас в мире технологию литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов. Глобальная патентная активность по этой технологии за последние два года распределяется следующим образом (см. рисунок 5 ниже):


Рисунок 5.
Глобальная патентная активность в 2024 и 2025 году по числу патентных семейств в технологии литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов с разбивкой по основным типам систем.

Использованные на рисунке 5 обозначения расшифровываются так:

Cathode – активные катодные материалы;

Anode – активные анодные материалы;

NMC – литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из оксида никеля, марганца, кобальта и лития (LiNixMnyCozO2);

LFP – литий-железо-фосфатный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из фосфата железа-лития (LiFePO4);

LCO – литий-кобальт-оксидный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из оксида кобальта-лития (LiCoO2);

LMFP – литий-марганец-железо-фосфатный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из легированного марганцем фосфата железа-лития LiMnxFe1-xPO4;

LMO – литий-марганец-оксидный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из оксида марганца-лития (LiMn2O4);

NCA – литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из оксида никеля, кобальта, алюминия и лития (LiNiCoAlO2);

LNMO – литий-никель-марганец-оксидный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из оксида никеля, марганца и лития LiNi0,5Mn1,5O4);

Li-metal – литий-металлический аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором анод изготовлен из металлического лития (Li);

Si-based – литий-ионный аккумулятор с кремниевым анодом, в котором анод изготовлен на основе кремния (Si);

LTO – литий-титанатный аккумулятор, являющийся разновидностью литий-ионного аккумулятора, в котором анод изготовлен из пентатитаната лития (Li4Ti5O12);

SSB – твердотельный литий-ионный аккумулятор (от англ. solid-state battery), в котором качестве электролита использован твердый электролит, вместо жидкого или гелевого полимерного электролита в обычных аккумуляторах.

Как видно на вышеприведенном рисунке 5, в 2025 году патентование технологий литий-ионных аккумуляторов демонстрирует растущий интерес к передовым материалам. Так, в 2025 году наибольшее число заявок приходилось на твердотельные аккумуляторы: около 6000 патентных семейств, а также в пятерку лидеров входят литий-металлические, NMC-, LFP-аккумуляторы и аккумуляторы с кремниевым анодом соответственно с примерно 4880, 4160, 3800 и 3675 патентными семействами. При этом по сравнению с 2024 годом в 2025 году увеличилось количество патентных заявок на передовые технологии, такие как твердотельные аккумуляторы (с 3840 до 6000, рост в 1,56 раза за один лишь год), LFP-аккумуляторы (с 2900 до 3800, рост в 1,31 раза), LMFP-аккумуляторы (с 1400 до 1880, рост в 1,34 раза), аккумуляторы с кремниевым анодом (с 3400 до 3675, рост в 1,08 раза), NMC-аккумуляторы (с 3880 до 4160, рост в 1,07 раза) и литий-металлические аккумуляторы (с 4740 до 4880, рост в 1,03 раза), в то время как патентование прочих материалов остается на стабильном уровне или немного снижается. Следует также отметить, что внимание к разным активным электродным материалам различается в зависимости от страны, особенно в отношении оксидов лития и фосфатов лития, причем в Китае и Индии наблюдается их сбалансированное соотношение 50:50, в то время как в большинстве других стран доля заявок на активные материалы на основе оксидов превышает 75%.

Патенты по твердотельным литий-ионным аккумуляторам – один из самых быстрорастущих сегментов, при этом основными мотивами их усовершенствования являются повышение безопасности за счет отказа от жидких электролитов, повышение энергоемкости и адаптация к существующим производственным процессам.

Патентный анализ показывает несколько ключевых векторов развития твердотельных аккумуляторов:

• улучшение интерфейсов и межфазных слоев (покрытия катодов/анодов, буферные слои, подавление дендритов);
• разработка высокопроводящих твердых электролитов (сульфидных, оксидных, галогенидных, полимерных, композитных и др.);
• усовершенствование архитектуры ячеек и масштабирование с помощью специальных способов производства (многослойные ячейки, процессы ко-экструзии);
• совмещение в одном материале ионной проводимости по ионам Li и Na (гибридные системы твердых электролитов);
• комбинирование кремниевых или кремниево-оловянных анодов с твердыми электролитами и специальной архитектурой.

Примеры патентных документов

Интересный пример недавнего патентного документа – это публикация заявки на патент США под № US20250105344A1 от 27.03.2025 г. на имя Microsoft Technology Licensing LLC (US), где описан твердотельный аккумулятор с электролитом NaₓLi3-xYCl₆ (0<x<3), характеризующимся упорядоченной тригональной кристаллической структурой и проводящим как ионы Li, так и ионы Na (т.е. обладающим так называемой двухионной проводимостью), который может быть выполнен в виде как литий-ионного, так и натрий-ионного аккумулятора.

Другой пример технического решения многоцелевого назначения приведен в публикации международной заявки на патент под № WO2022159137A1 от 28.07.2022 г. на имя Florida International University FIU (US), где описывается аккумулятор с твердым электролитом на основе сложных сульфидов лития и платиновых металлов (например, сульфида палладия-лития (LPS), сульфида платины-лития, сульфида родия-лития, сульфида осмия-лития сульфида рутения-лития, а также сульфида серебра-лития и сульфида кобальта-лития), способы их синтеза, формирования пленок и применения в батареях, которые могут быть литий-ионными (Li-ion), литий-воздушными (Li-air) или литий-серными (Li-S).

Еще одним показательным примером патентного документа является заявка на патент США, опубликованная 06.02.2025 г. под № US20250046878A1 на имя University of Utah Research Foundation (US) под названием «Electrolytes for Fast-Charging and Low-Temperature Lithium Ion Batteries», где описан Li-ионный аккумулятор с графитовым анодом и катодом, включающим LiFePO₄, NMC и др., и жидким электролитом на основе растворителя из однокислородных линейных простых эфиров и растворенной в нем литиевой соли, которая содержит связь S-F, что влияет на стабильность и свойства межфазного слоя и одновременно обеспечивает возможность быстрой зарядки и работу при низких температурах. В целом, анализ патентных документов показывает, что обеспечение быстрой зарядки и работы при низких температурах достигается главным образом через электрохимию электролита и интерфейса.

С точки зрения конструкции ячеек интересны, например, устройства, раскрытые в международной заявке на патент, опубликованной 22.08.2024 г. под № WO2024173390A2 на имя Graphenix Development Inc. (US), в которой описывается Li-ионный аккумулятор с твердым электролитом и анодом, имеющим множество разнесенных сегментов слоя накопления лития (Si, Sn, Ge ≥ 40 атом.%), промежутки между которыми заполнены твердым электролитом (SSE), что снижает механические напряжения и улучшает перенос заряда. Другой похожий пример – международная заявка на патент, опубликованная 03.07.2025 г. под № WO2025145155A1 на имя того же заявителя Graphenix Development Inc. (US) – описывает пористый слой накопления лития (Si, Sn, Ge ≥ 40 атом.%) с модифицирующим слоем, улучшающим проводимость и контакт с твердым электролитом.

Кремний обладает чрезвычайно высокой теоретической емкостью в ~4200 мА•ч/г, т.е. примерно в 10 раз выше теоретической емкости графита в качестве анода для литий-ионных аккумуляторов, но при этом испытывает сильное объемное расширение до 300% при зарядке в ходе взаимодействия с литием (литирования), поэтому в патентных документах ищут компромисс между емкостью и стабильностью кремниевого анода.

Ключевые технические направления усовершенствования литий-ионных аккумуляторов с кремниевыми анодами заключаются в следующем:

• увеличение энергоемкости за счет анодов с повышенной долей кремния (Si) или практически полной заменой графита на кремний;
• улучшение циклического ресурса и безопасности аккумуляторов за счет:

• специальных электролитов и добавок к ним,
• оптимизации состава промежуточных твердоэлектролитных фаз, также называемых межфазным интерфейсом (SEI);

• решение проблем кремниевых анодов в виде большого объемного расширения, разрушения SEI и потери контакта путем:

• частичного литирования анода,
• структурирования кремниевого слоя,
• применения композитных Si-C анодов,
• использование специальных добавок в электролит и др.

Современные обзоры показывают, что переход к высококремниевым анодам невозможен без продуманного дизайна электролита и слоя межфазного интерфейса (SEI). Так, в обзоре «High-Safety Lithium-Ion Batteries with Silicon-Based Anodes Enabled by Electrolyte Design» от 2023 г. [1] обсуждается, как именно электролит влияет на тепловой разгон в литий-ионных батареях (LIB) с анодом на основе кремния (Si) и какие подходы позволяют повысить их безопасность.

Ключевые идеи этого обзора:

• подробно анализируется механизм теплового разгона, в том числе специфические пути реакций для систем «Si-ый анод – жидкий электролит»;
• обобщаются стратегии повышения безопасности через:

• формирование термостабильного SEI,
• использование негорючих или трудногорючих жидких электролитов или твердого электролита и высокостабильных солей лития,
• снижение перекрестного повреждения электродов («electrode crosstalk»).

Еще два недавних обобщающих обзора по кремниевым анодам показывают, насколько развивается активно это направление: в «Research progress of silicon-based anode materials for lithium-ion batteries» от 2025 г. [2] подчеркивается, что Si-ые аноды уже вышли на статус «ключевого» направления для следующего поколения LIB, но по-прежнему страдают от сильного объемного расширения, низкой проводимости, низкой начальной кулоновской эффективности и нестабильного SEI; а в «Si-based Anode Lithium-Ion Batteries: A Comprehensive Review of Recent Progress» от 2023 г. [3] детально разбирается морфология кремниевых анодов с наноразмерными частицами Si и пористыми структурами Si, композитами Si-C и подходы к проектированию композитных анодов, смягчающих механические напряжения и деградацию.

При этом в патентных документах внимание зачастую тоже направлено на борьбу с расширением кремния и на то, чтобы максимально использовать выгоды традиционной архитектуры Li-ионных аккумуляторов, поэтому компании патентуют, например, замену графита на кремний и новые способы производства.

В качестве лишь одного примера патентных документов по литий-ионной технологии с кремниевым анодом можно привести патент США № US11050055B2 от 29.06.2021 г. на имя Wacker Chemie AG (DE), в котором запатентован Li-ионный аккумулятор с кремниевым анодом и электролитом, содержащим неорганические соли (нитраты, нитриты, фосфаты, карбонаты), при этом кремниевый анод в полностью заряженном состоянии только частично литирован, причем эта комбинация уменьшает разрушение SEI и анода, что снижает механическую деградацию и повышает срок службы аккумулятора.

Натрий-ионные аккумуляторы

Из-за удорожания и дефицита лития, используемого в всех литий-ионных аккумуляторах, а также никеля, кобальта и марганца, используемых в большинстве современных литий-ионных аккумуляторов, в последнее время фокус смещается на натрий – элемент, запасы которого на Земле практически безграничны. Так, например, как уже обсуждалось выше, после 2021 года наблюдается резкий рост патентной активности в отношении натрий-ионных (Na-ion) аккумуляторов, особенно в Китае, где лидируют компании CATL и BYD. Внимание в патентных документах сосредоточено, в частности, на разработке новых катодных материалов (к примеру, на основе слоистых оксидов), новых анодных материалов, например, из так называемого «твердого углерод», или «неграфитируемого углерода» (от англ. hard carbon), который, в отличие от графита, не образует правильной слоистой структуры при нагревании и который в основном используется в качестве анодов для натрий-ионных аккумуляторов, так как ион натрия крупнее иона лития и не может интеркалироваться в обычный графит, а также на электролитах, обеспечивающих стабильную работу при низких температурах.

В качестве примера интересного патентного документа можно привести патент США № US11196046B2 от 07.12.2021 г. на имя Contemporary Amperex Technology Company Ltd (CATL, CN), в котором описаны активный материал положительного электрода и способ его получения, натрий-ионный аккумулятор и содержащее его устройство, причем активный материал положительного электрода удовлетворяет химической формуле Na0,67MnxAyBzO2±δ, в которой A выбран из одного или более из Co, Ni и Cr, B выбран из одного или более из Mg, Al, Ca, Ti, Cu, Zn и Ba, 0,6<x<1, 0<y<0,1, 0,6<x+y<0,8, z>0, x+y+z=1, 0≤δ≤0,1.

Значительное внимание также уделяется твердотельным натрий-ионным батареям и системам, по которым вышел целый ряд обзоров, например, «Sodium-ion Batteries 2024-2034: Technology, Players, Markets, and Forecasts» [4] и «Advancements in Solid-State Sodium-Based Batteries» [5], причем последний препринт – один из свежих, от 2025 года, и в нем подчеркивается, что замена жидкого электролита твердым повышает безопасность и экологичность натрий-ионных аккумуляторов, и при этом ключевой вызов – получение твердого электролита с высокой ионной проводимостью по натрию и достаточной стабильностью. Обзорные работы по твердотельным Na-ионным батареям показывают, что галогенидные и оксидные электролиты рассматриваются как наиболее перспективные с точки зрения баланса проводимости и стабильности, и что особое внимание уделяется интерфейсу электрод/электролит и методам уменьшения межфазного сопротивления. Кроме того, в обзорах по перспективным системам энергосбережения подчеркивается, что Na-ионные батареи могут рассматриваться как дополнение к Li-ионным для сетевого накопления энергии и ряда других применений, где критичны стоимость и доступность сырья.

Литий-серные аккумуляторы

По сравнению с существующими литий-ионными аккумуляторами, твердотельные литий-серные аккумуляторы (от англ. solid-state lithium-sulfur batteries, SSLSB) обещают значительно повышенную плотность энергии и улучшенную безопасность, что делает их привлекательными для применения в таких областях, как электромобили, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и носимые устройства. Так, например, в обзоре «Assessing the practical feasibility of solidstate lithium-sulfur batteries», Communications Materials (A Nature Portfolio journal), 2025, 6:211 [6] рассматривается не только традиционный материалоцентрический подход, но и анализируется практическая осуществимость применения SSLSB, при этом особое внимание уделяется проблемам и соответствующим стратегиям их решения. В этом обзоре также рассматривается патентная ситуация и прогресс в индустриализации SSLSB.

Литий-серные аккумуляторы демонстрируют рост патентной активности за последнее десятилетие. На уровне патентных портфелей лидируют Китай и США, а также крупные компании (CATL, Sion Power, PolyPlus, Lyten) и ведущие университеты. Характерным примером патентного подхода к литий-серным системам является заявка на патент США, опубликованная 11.04.2024 г. с № US2024120479A1, на имя LG Energy Solution Ltd (KR) под названием «Lithium-sulfur battery with improved energy density and power», где описана оптимизированная архитектура катода и электролита (специальные соли и растворители), позволяющая одновременно повысить плотность энергии и мощность, а также другая заявка на патент США того же заявителя, опубликованная 30.05.2024 г. с № US20240178438A1, под названием «Lithium-sulfur battery with improved lifetime performance», в которой описан литий-серный аккумулятор со сложным многокомпонентным электролитом на основе фторированных простых эфиров и положительным электродом с активным материалом, содержащим серу и углеродный материал, что позволяет использовать 80% или более теоретической разрядной емкости серы и существенно улучшить циклируемость батареи.

Переработка аккумуляторов

Анализ патентной литературы и последних обзорных статей по переработке литий-ионных батарей показывают смещение фокуса от классического подхода «пиро-/гидрометаллургия» к комбинированным и «прямым» методам с восстановлением катодного материала. Вместе с тем, обзор 2025 года «A review of construction and sustainable recycling strategies of lithium-ion batteries [7] показывает, что гидрометаллургия в текущей технологической и экономической реальности остается наиболее жизнеспособным вариантом, обеспечивая 80-95% извлечения металлов и лучшее сочетание энергоэффективности и экологических показателей, но одновременно подчеркивает быстрое развитие методов прямой переработки (электрохимического повторного литирования, разделения с помощью растворителей), позволяющих восстанавливать катоды (NMC, LFP) с сохранением >95% кристаллической структуры и уменьшением энергозатрат на 50-70% по сравнению с плавкой. Другой обзор 2025 года «Environmental Impacts of Pyro- and Hydrometallurgical Recycling for Lithium-Ion Batteries – A Review» [8] приводит количественное сравнение экологического следа различных схем переработки, и в нем показано, что:

• чисто гидрометаллургическая переработка никель-кобаль-марганцевых (NMC) батарей позволяет снизить суммарный углеродный след производства аккумуляторов примерно на 39% (-25,5 кг CO₂-экв/кВт•ч);
• комбинированная пиро-гидрометаллургическая схема дает около 27% снижения, но остается привлекательной с точки зрения масштабируемости и зрелости технологии.

Вместе с тем, в обзорной статье «Recycling of sodium-ion batteries» 2023 года [9] обобщается состав материалов натрий-ионных аккумуляторов (от англ. Sodium-ion batteries (SIB)), обсуждаются стратегии переработки и связанные с этим проблемы и перспективы переработки SIB. Там показано, что экономический барьер для рециклинга SIB намного выше из-за меньшей стоимости извлекаемых металлов, хотя инфраструктурные и экологические задачи схожи с рециклингом LIB. Это подчеркивает важность учета переработки уже на стадии патентования новых Na-ионных систем, как это делается, например, в патентах на твердые электролиты для SIB.

При этом в последнее время резко растет число патентных документов по переработке и повторному использованию материалов аккумуляторов. Так, например, в заявке на европейский патент, опубликованной 11.10.2023 г. с № EP4257710A1, на имя Niocycle Teknoloji Tic San AS Kocaeli (TR) под названием «Lithium-ion battery recycling method» описывается высокоэффективный и экологичный способ переработки Li-ионных аккумуляторов с диагностикой и разборкой модулей, удалением связующего между анодной и катодной фольгами и последующим гидрометаллургическим извлечением активных катодных материалов (NMC, NCA и др.). Другой пример: в целом ряде публикаций международных заявок на патент с №№ WO2022268792A1, WO2022268797A1 и WO2024042189A1 на имя HC Starck Tungsten GmbH (DE) и WO2023208436A1 на имя Duesenfeld GmbH (DE) описаны различные перспективные способы гидрометаллургической переработки Li-ионных аккумуляторов. Еще одним примером может служить публикация заявки на патент США № US20240367977A1 от 07.11.2024 на имя Bayerische Motoren Werke AG (BMW, DE), где описан способ переработки катодного материала и сульфидного твердого электролита из твердотельных Li-батарей с использованием апротонного растворителя для растворения твердого электролита и последующего разделения компонентов.

Перспективные направления развития

Анализ патентной активности и современных обзоров позволяет выделить несколько направлений, в которых ожидается наибольший прорыв в аккумуляторных технологиях:

1. литий-ионные аккумуляторы с высококремниевыми анодами и с продуманным дизайном электролита и интерфейса, для которых промышленность активно ищет выгодные сочетания структурированного и/или частичного литиированного анода, безопасного электролита и стабильного SEI, позволяющие использовать высочайшую теоретическую емкость Si без деградации анода;

2. литий-ионные и натрий-ионные батареи с высокопроводящими твердыми электролитами и прочие твердотельные системы, ведь именно комбинация высокой ионной проводимости, стабильности интерфейса и безопасности делает твердые электролиты одним из ключевых направлений на горизонте 10-15 лет;

3. аккумуляторные технологии с особыми электролитами, в частности, с электролитами для быстрой зарядки и работы в экстремальных условиях, а также с двухионной проводимостью, например, проводящими по ионам и Li, и Na, показывают, что уже сейчас закладывается технологическая база для масштабирования и комбинирования Li-ионных и Na-ионных технологий, их адаптации к различным условиям зарядки и эксплуатации;

4. перспективная технология цинк-ионных (Zn-ion) аккумуляторов, демонстрирующая наиболее стремительный рост патентования за последнее десятилетие;

5. гибридные элементы, сочетающие в себе различные типы электрохимических технологий, например, аккумуляторные и конденсаторные;

6. интегрированные подходы к переработке аккумуляторов, отражающие переход от разрозненных решений к комплексным технологическим линиям, в которых объединены диагностика, разборка, измельчение, удаление вспомогательных материалов, гидрометаллургические операции и выделение отдельных компонентов, минимизация выбросов.

Заключение и выводы

Данный обзор подтверждает смещение фокуса от пошаговых улучшений к системным изменениям архитектуры отдельных ячеек, аккумуляторов и аккумуляторных батарей в целом. На первый план выходят полностью твердотельные аккумуляторы с высокопроводящими твердыми электролитами, высококремниевыми анодами и гибридными (Li/Na) материалами, а патентуемые технические решения все чаще описывают не отдельный материал, а комплексную электрохимическую систему с управляемым интерфейсом.

Во всех направлениях развития критической становится роль активного электродного материала, электролита и межфазного слоя (SEI), причем именно химический состав и структура SEI определяют циклический ресурс, скорость зарядки и безопасность аккумуляторов, тогда как электродные материалы все чаще рассматриваются в связке с интерфейсными решениями.

Твердотельные натрий-ионные системы воспринимаются не как далекая альтернатива, а как логическое продолжение развития существующих технологий, что указывает на высокую вероятность коммерциализации таких систем в среднесрочной перспективе.

Большее количество патентных заявок посвящается изобретениям, касающимся систем управления батареями (BMS), что свидетельствует о достижении уже достаточно высокой степени зрелости систем материалов, используемых в самих батареях.

Производственные процессы трансформируются в сторону методов глубокой переработки, что подтверждается взрывным ростом числа патентов в классе экологичного производства. Переработка и «второй жизненный цикл» аккумуляторов становятся равноправным направлением инноваций, поскольку технические решения в этой области позволяют рационально использовать ценные цветные металлы и сократить углеродный след.

Системный подход – от материалов до инфраструктуры – становится ключевым требованием к будущим разработкам, а высокая энергоемкость и безопасность аккумуляторов, возможность их переработки и интеграции в энергосистему больше не могут рассматриваться изолированно, и поэтому все чаще описываются решения, учитывающие весь жизненный цикл батарей от синтеза материалов до утилизации.

Таким образом, можно сказать, что эра монополии классических литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом подходит к концу, причем рынок фрагментируется: для бюджетных электромобилей, общественного электротранспорта (например, электробусов) и стационарных накопителей энергии фокус смещен в сторону LFP-технологии и натрий-ионных аккумуляторов из-за максимального снижения стоимости; а для премиальных электромобилей и авиации активно патентуются твердотельные батареи и аккумуляторы с кремниевыми анодами с максимальной плотностью энергии, при этом компании, владеющие фундаментальными патентами в рассматриваемых областях (такие как CATL, Toyota, LG, Tesla и другие), будут определять архитектуру мировой энергетики в ближайшие 10-20 лет.

ПОДВЕРСТКА:

Список непатентной литературы

1. Kangjia Hu et al., High-Safety Lithium-Ion Batteries with Silicon-Based Anodes Enabled by Electrolyte Design // Chemistry Asian Journal. – December 14, 2023. – DOI: 10.1002/asia.202300820.

2. Zhenjun Zhang et al., Research progress of silicon-based anode materials for lithium-ion batteries // (RSC Adv., 2025, 15, 10731; open access). – URL:
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11973552/

3. Yifei Li et al., Si-based Anode Lithium-Ion Batteries: A Comprehensive Review of Recent Progress // ACS Materials Letters. – October 8, 2023. – 5(10). DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00253.

4. Sodium-ion Batteries 2024-2034: Technology, Players, Markets, and Forecasts, URL:
https://www.idtechex.com/en/research-report/sodium-ion-batteries/978

5. Arianna Massaro et al., Advancements in Solid-State Sodium-Based Batteries // arXiv. – 2025. – arXiv:2505.04391. – URL:
https://arxiv.org/pdf/2505.04391.pdf

6. Ganyu Wang, Xiaoyu Luo, Wenlong Sun & Jingsheng Cai, Assessing the practical feasibility of solid-state lithium-sulfur batteries, Communications Materials, (A Nature Portfolio journal), 2025, 6:211.

7. Phuoc-Anh Le, A review of construction and sustainable recycling strategies of lithium-ion batteries // RSC Advances. – 2025, 15, 35687. – DOI: 10.1039/d5ra04471e. – URL:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/ra/d5ra04471e

8. Luca Stegemanna, Moritz Gutscha, Environmental Impacts of Pyro- and Hydrometallurgical Recycling for Lithium-Ion Batteries – A Review // Journal of Business Chemistry. Vol. 22, Iss.1, February 2025. – DOI: 10.17879/43998523309.

9. Zhao X., Kang F., Recycling of sodium-ion batteries // Nature Reviews Materials, volume 8, page s623–634 (2023).

Дата: 31 марта 2026 г.