Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.604.21.0152

Руководитель: Клейменов Борис Владимирович

Должность: Заведующая лабораторией

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
экологически чистая энергетика, электрохимическая энергетика, топливный элемент, воздушно-металлическая батарея, химический источник тока, автономные и мобильные энергоустановки, экстендер, электромобиль, запас хода, алюминиевый анод, цилиндрический газодиффузионный катод.

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.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения работы будут получены 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения Проекта будет разработан и создан экспериментальный образец батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов, обладающий высокими удельными характеристиками (энергоемкость – свыше 350 Вт ч/кг; удельная мощность – 160 Вт ч/кг, удельная энергоемкость цилиндрического элемента – не менее 380 Вт ч/кг).
Получаемые высокие удельные характеристики батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов позволят использовать их в качестве аварийных и вспомогательных энергоустановок на объектах МО, МЧС, в авиации, в качестве резервных источников энергии на транспорте для заряда автономных аккумуляторов и увеличения запаса хода электромобиля.
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. К тому же литий-ионные аккумуляторные батареи дорогие и пожароопасны. 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:
1) В соответствии с эскизным проектом изготовлено устройство для формования цилиндрического токосъёма катода в составе: - цилиндрическая оправка; - прижимы; - втулки; - оси; - крепёжные элементы. Устройство, предназначенное для создания экспериментального образца батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов, обеспечивает изготовление цилиндрического токосъёма, на который будет напрессовываться газодиффузионный катод – один из основных элементов воздушно-алюминиевого элемента.
2) Разработан эскизный проект устройства для формования алюминиевого анода ПФАТ 00.00.000. Основными элементами устройства являются: - игла; - матрица; - пресс-шайба.
3) В соответствии с эскизным проектом изготовлено устройство для формования алюминиевого анода. Устройство обеспечивает изготовление цельных алюминиевых анодов цилиндрической формы.
4) С помощью устройства для формования алюминиевого анода изготовлены экспериментальные образцы алюминиевых анодов цилиндрической формы в количестве 10 шт. для проведения дальнейших исследований и выбора наиболее подходящего анода для цилиндрического воздушно-алюминиевого элемента.
5) Разработан эскизный проект устройства для формования газодиффузионного катода ПФГК 00.00.000. Основными элементами устройства являются: - втулки; - трубка; - прокладка; - прижимы; - крепежные элементы.
6) В соответствии с эскизным проектом изготовлено устройство для формования газодиффузионного катода. Устройство обеспечивает изготовление цилиндрического газодиффузионного катода, который напрессовывается на внутреннюю поверхность цилиндрического токосъёма катода.
7) С помощью устройства для формования газодиффузионного катода изготовлены экспериментальные образцы катодов в количестве 10 шт. для проведения дальнейших исследований.
8) Проведены вольтамперные и поляризационные испытания цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов.