Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка химического источника тока с удельной энергоемкостью свыше 350 Вт ч/кг

Докладчик: Илюхина Анастасия Владимировна

Должность: Заведующая лабораторией, заведующий лабораторией, Зав. лабораторией

Цель проекта:
Основной проблемой, на решение которой направлен Проект, является создание высокоэффективных экологически чистых автономных источников тока для применения на транспорте, в авиации, для объектов МО, МЧС. Массовое применение энергетических установок, использующих углеводородное топливо, порождает существенные экономические и экологические проблемы, связанные с непрогнозируемыми колебаниями стоимости углеводородных моторных топлив и выбросами вредных веществ в атмосферу (углекислый газ, оксиды азота, серы и др.). Создание энергоустановок на основе электрохимических источников энергии решает экологическую проблему за счет отсутствия вредных выбросов. Однако разработанные к настоящему времени источники энергии являются либо дорогими, либо обладают недостаточно высокой удельной энергией. С этой точки зрения наиболее перспективными являются воздушно-алюминиевые электрохимические батареи, обладающие высокой теоретической удельной энергоемкостью. Кроме того, алюминий является доступным и дешевым материалом, продукты окисления алюминия можно включить в цикл Байера по его производству. Целью Проекта является разработка и создание химического источника тока с удельной энергоемкостью свыше 350 Вт•ч/кг и удельной мощностью 160 Вт/кг на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов. Высокие удельные параметры экспериментального образца батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов будут достигнуты за счет повышения удельных характеристик газодиффузионных катодов и алюминиевых анодов, являющихся основными компонентами воздушно-алюминиевых элементов, и конструктивных особенностей батареи. Высокие удельные характеристики батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов позволяют использовать их в качестве резервных источников энергии на транспорте для заряда автономных аккумуляторов и увеличения запаса хода электромобиля, в качестве аварийных и вспомогательных энергоустановок на объектах МО, МЧС, в авиации.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения работы планируется получить следующие научно-технические результаты:
- Принципиальная схема экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов;
- Эскизные проекты: а) устройства для формования цилиндрического токосъема катода; б) устройства для формования алюминиевого анода; в) устройства для формования газодиффузионного катода;
- Устройство для формования цилиндрического токосъема катода; устройство для формования алюминиевого анода; устройство для формования газодиффузионного катода;
- Результаты вольтамперных и поляризационных испытаний цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов;
- Результаты исследований влияния способа циркуляции электролита в цилиндрическом воздушно-алюминиевом элементе на его вольтамперные и разрядные характеристики;
- Программа и методики испытаний экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов;
- Эскизный проект экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов;
- Экспериментальный образец батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов;
- Результаты испытаний экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов;
- Проект ТЗ на проведение ОКР по теме «Разработка и создание опытного образца воздушно-алюминиевой батареи с удельной энергоемкостью свыше 350 Вт•ч/кг».

Экспериментальный образец батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов должен обладать следующими техническими характеристиками:
- удельная энергоемкость экспериментального образца – свыше 350 Вт•ч/кг;
- удельная мощность экспериментального образца – 160 Вт/кг;
- удельная энергоемкость цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов, входящих в состав батареи – не менее 380 Вт•ч/кг;
- длительность непрерывной работы батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов определяется током разряда, но не выше 90% своей электрохимической емкости.

Конкурентами разрабатываемых воздушно-алюминиевых батарей являются литий-ионные аккумуляторы, водородно-воздушные топливные элементы и воздушно-цинковые батареи. Энергоемкость литий-ионных аккумуляторов составляет 80-150 Втч/кг, что позволяет в условиях реальных циклов движения обеспечить запас хода большинства серийных электромобилей на уровне 100-200 км, да и то при неработающем освещении и климатической установке. Воздушно-цинковые обладают удельной энергией на уровне 60-200 Втч/кг, такие батареи с загущенным электролитом нашли применение в качестве источников тока для слуховых аппаратов и бакенов. Однако, в процессе хранения цинковый анод корродирует с выделением водорода, а электролит теряет воду за счет испарения, что снижает срок сохранности батарей до 1 года. Водородно-воздушные топливные элементы, обладающие высокой удельной энергией (до 500 Втч/кг), имеют ряд недостатков, ограничивающих их широкое применение: высокая стоимость; безопасность использования водорода на борту транспортного средства.

Высокие удельные характеристики экспериментального образца батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов будут достигнуты за счет: а) разработки газодиффузионных катодов с высокоэффективными катализаторами восстановления кислорода; б) разработки воздушно-алюминиевых элементов цилиндрической формы, в которых роль корпуса будут выполнять газодиффузионные катоды, позволяющей снижать массу батареи.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные в ходе выполнения Проекта научные и научно-технические результаты явятся основой для создания нового поколения экологически чистых электроэнергетических установок, обладающих уникальным сочетанием энергетических и функциональных характеристик, в два-три раза превосходящих мировой уровень. Данные установки могут найти применение в качестве резервных источников тока для аварийных и вспомогательных энергоустановок в авиации, на объектах МО, МЧС, для автономных систем заряда аккумуляторов, а также в электротранспорте для увеличения запаса хода аккумуляторных электромобилей. Использование таких источников тока для транспортного назначения обеспечивает нулевые выбросы вредных веществ и, таким образом, снижает общую экологическую нагрузку на окружающую среду. Кроме того, их применение на транспорте повысит надежность электромобилей, улучшит их потребительские свойства и конкурентоспособность.
Потребителями научно-технических результатов, полученных при выполнении Проекта, могут быть следующие организации: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», ООО «НПО ССК», МАИ, ОАО «ОК РУСАЛ», ОИВТ РАН, NISSAN MOTOR CO., LTD, ОАО «АВТОВАЗ», институты МО, подразделения МЧС, Объединенная авиастроительная корпорация и другие.
Основные результаты, полученные в ходе выполнения Проекта, будут опубликованы в высокорейтинговых журналах, а также представлены на научных конференциях, в том числе международных, что послужит развитию системы демонстрации и популяризации науки. К выполнению Проекта будет привлечено не менее 34% молодых научных сотрудников, аспирантов.

Текущие результаты проекта:
На первом этапе Проекта получены следующие научные и научно-технические результаты:
- Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по воздушно-металлическим источникам тока - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2014 гг.; выбрано и обосновано направление исследований.
- Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 по воздушно-металлическим источникам тока за период 2000-2014 гг., и показана патентная чистота по разработкам батарей на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов.
- Выполнены работы по обоснованию, выбору и приобретению цилиндрической печи для изготовления катодов.
- Разработана принципиальная схема экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов.
- Разработан эскизный проект устройства для формования цилиндрического токосъема катода.