Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0152

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0152
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Название доклада
Разработка химического источника тока с удельной энергоемкостью свыше 350 Вт ч/кг
Докладчик
Илюхина Анастасия Владимировна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка и создание экологически чистого высокоэнергоемкого химического источника тока на основе воздушно-алюминиевых топливных элементов для применения в качестве резервных и аварийных энергоустановок, для спецприменений, а также для подзарядки аккумуляторных батарей портативных устройств. Для достижения высоких удельных параметров экспериментального образца батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов будут решены следующие задачи:
- разработка технологии изготовления двухслойных газодиффузионных воздушных катодов на основе тетраметоксифенилпорфирина кобальта, с целью повышения удельных характеристик газодиффузионных катодов и воздушно-алюминиевых элементов;
- разработка технологии изготовления алюминиевых анодов, газодиффузионных катодов и воздушно-алюминиевых элементов цилиндрической формы, позволяющие за счет конструктивных особенностей топливных элементов снизить их вес, что будет способствовать увеличению удельных характеристик воздушно-алюминиевых элементов и батареи в целом;
- разработка и изготовление устройств для формования электродов цилиндрической конструкции;
- проведение исследований экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов.
Актуальность и новизна исследования
Рост энергопотребления, развитие отдельных областей машиностроения и энергетики, а также связанное с этим ухудшение экологической ситуации, требуют разработки новых электрохимических источников тока с высокими удельными характеристиками. Кроме того, наметившаяся в мире стагнация в области разработки литий-ионных, литий-воздушных и литий-серных аккумуляторов, а также в области создания воздушно-водородных топливных элементов вследствие отсутствия адекватных источников водорода, требует поиска новых технологических решений и путей повышения энергетических и ресурсных характеристик электрохимических источников, а также поиска путей снижения их стоимости.
Одной из перспективных электрохимических систем является воздушно-алюминиевая, обладающая высокой удельной энергоемкостью (250-350 Вт∙ч/кг), что заметно выше, чем для наиболее проработанных и широко применяемых литий-ионных аккумуляторных батарей (80-200 Вт•ч/кг). Воздушно-алюминиевые системы имеют низкую стоимость; характеризуются отсутствием вредных выбросов; образующиеся в процессе электрохимического окисления алюминия продукты легко восстанавливаются до металла в рамках традиционных технологий его производств.
Новизна работы обусловлена разработкой высокоэнергоемкого воздушно-алюминиевого источника тока для портативного, стационарного и транспортного применения за счет нового конструктивного исполнения и разработки технологии изготовления высокоэффективных газодиффузионных катодов.
Описание исследования

С целью достижения высоких удельных параметров экспериментального образца батареи на основе воздушно-алюминиевых элементов была разработана новая конструкция элементов цилиндрической формы, в которых газодиффузионный катод, расположенный снаружи и имеющий свободный доступ к воздуху, одновременно является и корпусом воздушно-алюминиевого элемента. Алюминиевый анод помещается внутрь газодиффузионного катода. Пространство внутри анода и межэлектродный зазор заполняется электролитом. Такое конструктивное исполнение позволяет существенно снизить массу воздушно-алюминиевого элемента за счет отсутствия крепежных и герметизирующих элементов, тем самым способствуя увеличению удельных характеристик элемента и батареи. Для реализации данной конструкции были разработаны технологии изготовления цилиндрического алюминиевого анода, цилиндрического газодиффузионного катода, а также цилиндрического воздушно-алюминиевого элемента.

Для изготовления воздушно-алюминиевых элементов цилиндрической формы были разработаны и созданы новые специальные устройства:

1) Устройство для формования цилиндрического токосъема катода. Данное устройство состоит из цилиндрической оправки с прижимами, и обеспечивает изготовление токосъема катода цилиндрической формы из никелевой сетки, на внутреннюю поверхность которой напрессовывается газодиффузионный катод.

2) Устройство для формования газодиффузионного катода. Устройство включает в себя резиновую трубку, помещаемую внутрь заготовки газодиффузионного катода, и втулку, в которую устанавливается заготовка катода. Устройство разогревается в цилиндрической печи до температуры 260 °С. Заготовка катода подвергается горячему прессованию на внутреннюю поверхность сетки (токосъема катода) с помощью резиновой трубки, которая расширяется за счет подачи давления внутрь трубки.  

3) Устройство для формования алюминиевого анода. Основными компонентами устройства являются игла, матрица и пресс-шайба. Заготовка для изготовления алюминиевого анода (цилиндрический слиток) располагается между матрицей и пресс-шайбой, и помещается в печь. Слиток продавливается иглой, формируя трубчатую форму между отверстиями матрицы и пресс шайбы.

Предварительно проведенные исследования показали, что использование катализаторов на основе тетраметоксифенилпорфирина кобальта способствует достижению высоких удельных характеристик воздушно-алюминиевого элемента, которые могут достигать 250-300 мВт/см2 при плотности тока 0.3 А/см2. С целью изготовления полноразмерных катодов с активной площадью 100-200 см2 была разработана технология изготовления двухслойных газодиффузионных воздушных катодов. Изготовление заготовки газодиффузионного катода заключается в прессовании (при комнатной температуре) предварительно подготовленных масс активного и запорного слоев катода. Далее заготовка катода подвергается горячему прессованию на внутреннюю поверхность цилиндрической сетки-токосъема.

С целью поддержания необходимой рабочей температуры внутри воздушно-алюминиевых элементов была разработана система теплоотвода, включающая тепловые трубки, помещаемые внутрь цилиндрических анодов, на конце которых располагаются радиаторы, охлаждаемые вентиляторами. Разогретый воздух поступает на катоды.

Активация батареи осуществляется путем слива электролита из емкости, расположенной над элементами, с помощью разработанной системы запуска.     

Исследования поляризационных и разрядных характеристик воздушно-алюминиевых элементов, а также батареи, осуществляли на экспериментальной установке, включающей потенциостат, в соответствии с разработанной Программой и методиками испытаний.

Результаты исследования

В процессе работы были разработаны и созданы воздушно-алюминиевые элементы, схема которого представлена на рисунке 1, а также экспериментальный образец батареи на их основе (рисунок 2). Воздушно-алюминиевый элемент представляет собой цилиндр, внешней стороной и корпусом которого является газодиффузионный катод. Внутрь катода помещается алюминиевый анод. Пространство внутри элемента заполнено электролитом. Для термостабилизации воздушно-алюминиевого элемента в конструкции предусмотрена система теплоотвода, включающая тепловую трубку, радиатор и вентилятор. Экспериментальный образец батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов состоит из четырех элементов, емкости с электролитом, разделенной на секции с порцией электролита для каждого элемента, и корпуса.

Рисунок 1 – Схема цилиндрического воздушно-алюминиевого элемента (в разрезе).

1 – цилиндрический воздушно-алюминиевый элемент; 2 – емкость для электролита; 3 – радиатор; 4 – вентилятор.

Рисунок 2 – Модель экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов.

Проведены испытания цилиндрического воздушно-алюминиевого элемента. Разряд экспериментального образца элемента при величине среднего разрядного напряжения  1.23 В продолжался в течение 150 мин. Средняя мощность составила 27.7 Вт. В процессе разряда реализовано 69 Вт·ч. При массе цилиндрического воздушно-алюминиевого элемента 0.18 кг, его удельная энергоемкость составила 383 Вт·ч/кг. Полученные данные показали принципиальную возможность достижения удельной энергоемкости экспериментального образца батареи на основе цилиндрических воздушно-алюминиевых элементов не менее 350 Вт·ч/кг.

Конкурентами разрабатываемых воздушно-алюминиевых батарей являются литий-ионные аккумуляторы, воздушно-цинковые батареи и водородно-воздушные топливные элементы. Энергоемкость литий-ионных аккумуляторов составляет 80-200 Вт·ч/кг. При их использовании в качестве энергоустановок электромобилей, они обеспечивают запас хода транспортного средства 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 системы обладают удельной энергией на уровне 60-200 Вт·ч/кг, такие батареи с загущенным электролитом нашли применение в качестве источников тока для слуховых аппаратов и бакенов. Однако, воздушно-цинковые батареи характеризуются осушением электролита в процессе эксплуатации за счет испарения воды, что отражается на длительности разряда и энергоемкости. Водородно-воздушные топливные элементы, обладающие высокой удельной энергией – до 500 Вт·ч/кг (без учета веса системы для хранения водорода), имеют ряд недостатков, ограничивающих их широкое применение: высокая стоимость, сложность хранения водорода и небезопасность его использования. Разрабатываемые воздушно-алюминиевые батареи, имеющие возможность масштабирования для достижения необходимой мощности, не уступают, и даже превосходят разработки мирового уровня по совокупности таких свойств, как энергоемкость, цена, экологическая безопасность.

Практическая значимость исследования
Разработанные нами воздушно-алюминиевые элементы цилиндрической формы позволили поднять удельные характеристики воздушно-алюминиевых батарей, что открывает перспективы использовать их в качестве аварийных, резервных и вспомогательных энергоустановок на объектах МО, МЧС, в авиации, для подзарядки аккумуляторных батарей портативных устройств, в качестве резервных источников энергии на транспорте для увеличения запаса хода электромобиля, и др. Разрабатываемые воздушно-алюминиевые батареи ориентированы на использование их в районах с высокой экологической напряженностью (например, в мегаполисах), или в районах, испытывающих дефицит электроэнергии. Важной особенностью разрабатываемых батарей является их способность длительного (до 20 лет) хранения до момента их использования, а также их экологичность, низкая стоимость, возможность реализации замкнутой схемы использования энергоносителя (алюминия).
Полученные в ходе выполнения проекта научные и научно-технические результаты явятся основой для создания нового поколения экологически чистых электрохимических источников тока, обладающих уникальным сочетанием энергетических и функциональных характеристик, превосходящих мировой уровень.
Постер

Poster_Ilyukhina.ppt