Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0126

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0126
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
Название доклада
Разработка научных основ создания литий-ионного аккумулятора на основе новых отечественных электродных функциональных материалов
Докладчик
Кулова Татьяна Львовна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования - создание литий-ионного аккумулятора с улучшенными энергетическими и эксплуатационными показателями на основе новых отечественных материалов для портативных накопителей энергии военного и гражданского применения.
Основными задачами проекта являются синтез новых функциональных материалов для положительного и отрицательного электродов литий-ионного аккумулятора, а также разработка лабораторного макета литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность. Отсутствие отечественных материалов для производства литий-ионных аккумуляторов является серьёзным сдерживающим фактором для технологического развития России. Освоение отечественного производства новых катодных и анодных материалов, а также новых технологий изготовления электродов будет способствовать налаживанию отечественного производства литий-ионных аккумуляторов с улучшенными показателями по удельной энергоемкости, скорости заряда-разряда, ресурсу, безопасности, стабильности разрядного напряжения и работоспособности при пониженных температурах.
Новизна. Все существующие производства в России ориентированы на выпуск литий-ионных аккумуляторов традиционной электрохимической системы (кобальтат лития - графит). Такие аккумуляторы имеют напряжение 3.6 В и энергоемкость не выше 160 Втч/кг. Недостатком таких аккумуляторов является неспособность работы при форсированных зарядах без потери емкости, нестабильное разрядное напряжение и высокий риск воспламенения из-за высокого зарядного напряжения, а также использование импортных материалов и комплектующих. Новые электродные материалы на основе наноструктурированых феррофосфата лития, тройного оксида лития, нанотитаната лития и кремниевых композитов позволят выйти на новый уровень литий-ионных аккумуляторов как по удельным, так и по эксплуатационным характеристикам. Такие аккумуляторы будут характеризоваться удельной энергоемкостью до 230 Втч/кг, а также способностью работать при пониженных температурах (до минус 40 оС), а также высоким ресурсом (до 2000 циклов).
Описание исследования

Необходимость выполнения данного исследования диктуется возросшими требованиями к перезаряжаемым источникам тока, иными словами, характеристики современных источников тока уже недостаточны для эффективного питания современных электронных приборов. Кроме того, в настоящее время появляются новые области применения аккумуляторов, требующие повышенных мощностных и емкостных характеристик. Здесь следует упомянуть, в первую очередь, интеллектуальные электросети (smart grids), как кардинальный путь повышения энергоэффективности стационарной энергетики. Развитие интеллектуальных энергосетей сдерживается именно отсутствием достаточно эффективных накопителей электроэнергии, способных выдерживать кратковременные повышенные токи нагрузки, и имеющих достаточно длительный циклический ресурс. Современная высокотехнологичная медицинская техника нуждается в миниатюрных источниках питания повышенной энергоёмкости, но ограниченного циклического ресурса. Развитие современного высокоинтеллектуального вооружения и военной техники также требует создания перезаряжаемых источников тока с улучшенными емкостными и эксплуатационными характеристиками. Удельная энергия любого аккумулятора определяется удельной ёмкостью активных веществ положительного и отрицательного электродов, напряжением аккумулятора и эффективностью конструкции. Практическая энергоёмкость аккумулятора всегда меньше теоретической величины за счет массы вспомогательных деталей (подложки электродов, сепаратор, электролит, корпус аккумулятора, токовыводы, добавки в активные массы), а также потери части напряжения из-за внутреннего сопротивления аккумулятора. Как правило, практическая удельная энергия в номинальном режиме разряда составляет примерно половину от теоретического значения. Традиционная электрохимическая система литий-ионного аккумулятора, выпускаемая с 1991 г (кобальтат лития – графит), по показателю удельной энергоемкости приближаются к своему теоретическому пределу. Таким образом, дальнейшее совершенствование литий-ионных аккумуляторов возможно только при создании аккумуляторов на новых электрохимических системах, т.е. с новыми более энергоемкими материалами положительного и отрицательного электродов. Кроме того, целесообразно проводить работы в двух направлениях – разработка литий-ионных аккумуляторов обладающих повышенной емкостью и аккумуляторов, способных работать при высоких мощностных нагрузках.

Перспективными материалами положительного электрода являются тройной литированный оксид состава LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, обладающий высоким разрядным напряжением и повышенной разрядной ёмкостью, а также допированные никелем феррофосфаты лития, в частности, материал состава LiFe0.9Ni0.1PO4, способные работать при повышенных плотностях тока. Перспективными материалами отрицательного электрода являются нанотитанаты лития (Li4Ti5O12), способные выдерживать высокие токи разряда и кремнийсодержащие композиты (Si/C), обладающие высокой емкостью.

      

Результаты исследования

В результате проведения прикладной научно-исследовательской работы были разработаны методы синтеза новых функциональных материалов для положительного (на основе допированного феррофосфата лития и тройного литированного оксида) и отрицательного (на основе нанотитаната лития и кремнийсодержащего композита) электродов литий-ионного аккумулятора. Все синтезированные материалы были охарактеризованы с помощью физико-химических и электрохимических методов исследования. На основе разработанной эскизной конструкторской документации были изготовлены экспериментальные образцы аккумуляторов номинальной ёмкостью 1 Ач двух новых электрохимических систем: «допированный феррофосфат лития–нанотитанат лития» и «тройной литированный оксид–кремнийсодержащий композит». Были проведены циклические испытания, которые показали, что аккумуляторы системы «допированный феррофосфат лития–нанотитанат лития» характеризуются устойчивым циклированием при напряжении 1.8 В и низкой деградацией, не превышающей 0.02% за цикл. Аккумуляторы системы «тройной литированный оксид–кремнийсодержащий композит». характеризуются высоким напряжением (около 3.6 В), однако деградация составляет от 0.025 до 0.05 % за цикл. Установлено,  что удельная энергоемкость аккумуляторов системы «допированный феррофосфат лития–нанотитанат лития» составила около 110 Втч/кг. Удельная энергоемкость аккумуляторов системы «тройной литированный оксид–кремнийсодержащий композит» составила около 230 Втч/кг. Циклические испытания  экспериментальных образцов литий-ионных аккумуляторов при пониженных температурах показали, что при температуре минус 40 оС разрядная емкость составляет около 25% от номинального значения. Общее количество циклов заряда-разряда при токе циклирования 1С составило 1000 циклов для аккумулятора системы «допированный феррофосфат лития–нанотитанат лития» и 500 циклов для аккумулятора системы «тройной литированный оксид–кремнийсодержащий композит». 

Разработанные литий-ионные аккумуляторы на основе «тройной литированный оксид–кремнийсодержащий композит» характеризуются удельной энергоемкостью превышающей удельную энергоемкость большинства коммерческих литий-ионных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы системы «допированный феррофосфат лития–нанотитанат лития» при достаточно скромных показателях удельной энергоемкости (из-за низкого разрядного напряжения) характеризуются высокими значениями удельной мощности, достигающие значений 1 кВт/кг.

 

Практическая значимость исследования
Результаты работы будут востребованы в ОАО «Чеченнефтехимпром» (индустриальньный партнер), которое в августе 2016 в г. Грозный запустило в промышленную эксплуатацию первую очередь завода по производству литий-ионных аккумуляторов общей мощностью 30 МВтч в год. На заводе запланировано создание высокотехнологичного производства наноматериалов по патентованной российской технологии мощностью 200 тонн в год, производство систем сохранения электрической энергии, накопителей электроэнергии, батарей для электромобилей и нужд МО и МЧС, бытовой техники, а также открытие научной лаборатории для внедрения новых разработок.
Презентация

Presentation_14.604.21.0126.ppt