Диссертация (Разработка и исследование твердофазного литий-фторуглеродного первичного элемента), страница 2

Результаты работы докладывались на: 15-ой Международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2009); 5-й Международной школе- семинара «Энергосбере>кение-теория и практика» (Москва, 2010); 4-й Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009); Х1Х Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); 2 и 3-м Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2009, 2010); 11, 12 и 18-й Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.-Петербург,2011,2014); 9-ой Международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (Тамбов, 2011); 2-й Всероссийской научнопрактической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» (Москва,2012); 42-ой Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (Москва,2012); Х11 Международной конференции «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах» (Краснодар,2012),Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (Тамбов, 2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 19 работ, в том числе 4 статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК, и 1 патент на изобретение. Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ (код проекта -2.1.2/264.), гранта Президента РФ для молодых ученых (МК-5209.2011.8), государственного задания Министерства образования и науки РФ (код проекта 688). Глава 1.

Аналитический обзор 1.1 Общие положения С появлением литиевых источников тока выявились перспективы существенного улучшения таких параметров ХИТ, как удельная энергия, срок службы, сохраняемость, температурный диапазон работы и другие. По сравнению с традиционными ХИТ они обладают более высоким напряжением (3 В вместо 1,5 В), широким температурным интервалом эксплуатации (-50 С...+80 С) и длительным сроком хранения (до 1О лет). Их удельная энергия существенно превосходит удельную энергию лучших традиционных систем: Нд-Хп — 100-115 Вт"ч/кг, Ад-2:и — 150 Вт"ч/кг, М-Сс1 — 100 Вт~ч/кг, 1л-Мп02 — 310 Вт~ч/кг, 1л(СГ,.)„— 300 Вт~ч/кг 119-211. Известно, что для целого ряда областей техники и народного хозяйства критической задачей является появление нового поколения химических источников тока.

Они лимитируют создание малогабаритных ветровых и солнечных энергоустановок индивидуального пользования, экологически чистого и сравнительно дешевого гибридного и электротранспорта, надежных медицинских имплантантов и портативной техники. При анализе рынка химических источников тока, который оценивается в 1,178 триллион рублей, прослеживается отчетливый крен в сторону традиционных ХИТ на основе водных растворов электролитов, которые практически достигли предела своего технического совершенства. Доля литиевых источников тока, чьи энергетические параметры существенно превышают параметры традиционных, в общем объеме продаж составляет около 19 0.

Такая ситуация связана с их высокой стоимостью, низкой технологичностью и неполной реализацией на практике колоссального потенциала 1221. В настоящее время наблюдается стремительное возрастание спроса на химические источники тока с высокими значениями энергетических показателей. 1о К сожалению, традиционные системы элементов питания далеко не всегда отвечают современным требованиям, предъявляемым потребителем. Основными из них являются экологическая чистота используемой системы, высокое и стабильное напряжение разряда, невысокое значение массогабаритных показателей и невысокая стоимость.

Поэтому особенно остро стоит вопрос о создании компактного, экологически чистого и недорогого источника тока с высокими удельными энергетическими характеристиками. Чтобы не только выжить, но и преуспеть в современной жизни, мы стремимся соответствовать ее постоянно возрастающему ритму. Это требует от нас огромной эмоциональной и физической отдачи, что неизбежно оказывает влияние на состояние нашего здоровья. В этом стремлении мы не всегда помним о том, что предупреждать проблемы со здоровьем намного проще, чем бороться с развившимися заболеваниями, Поэтому современная медицина уделяет большое внимание использованию средств, необходимых человеку для поддержания жизнедеятельности своего организма.

Эта тенденция увеличивает спрос на медицинские приборы, помогающие сердцу - кардиостимуляторы. Наша потребность получать максимально возможный результат при минимальных затратах времени и сил делает необходимым наличие определенных характеристик в подобном оборудовании: компактность, минимальный вес, доступность различным слоям населения. Такими >ке характеристиками должны обладать источники тока, питающие данное оборудование ~22).

По одному из основных определяющих параметров, а именно по удельной энергии, литиевые источники тока занимают первое место. Ддя литиевых источников может быть получена удельная энергия порядка 1000 Втч/кг. Значение разрядного напряжения ряда применяемых электрохимических пар с литиевым анодом достигает напряжения до 3-х Вольт, т.е. в 2 раза превышает напряжение элементов питания, в настоящее время широко применяемых в бытовой технике. Если же элементы с литиевым анодом создаются целенаправленно для замены сегодняшних элементов питания бытовой техники 11 (1,5 В) без изменения конструкции и электрических параметров, то они, как правило, имеют значительно большую емкость при том же весе и габаритах вследствие обладания более высокой удельной энергией.

Литий очень мягок и легко подвергается механической обработке методом прокатки. По сравнению с другими щелочными металлами твердость лития наибольшая, так как, благодаря малому атомному радиусу литий обладает наиболее прочной кристаллической решеткой. Литий вязок и легко протягивается в проволоку, он пластичен и может быть раскатан в пластины. Литиевые первичные источники тока обладают более высоким напряжением, чем источники тока других электрохимических систем. Литиевые ХИТ работают до тех пор, пока они не разрядятся почти полностью„так что возможно использование практически всей номинальной емкости источника.

Конкурентоспособность таких элементов, по сравнению с аккумуляторами, обусловлена тем, что процесс их производства на порядок легче, процесса производства вторичных ХИТ. Это обуславливает более низкую стоимость таких элементов на рынке. Они работают при небольших плотностях тока, которые используются в калькуляторах, электронных часах, слуховых аппаратах, транзисторах, кинокамерах, измерительных инструментах, аварийные системы питания, авиационная электроника, модулях питания элементов памяти в цифровой портативной и радиоэлектронной технике, медицинских измерительных приборах.

При данных плотностях тока эти элементы могут бесперебойно работать в течение нескольких лет, после чего необходима их замена~221. В настоящее время наиболее важные проблемы первичных литиевых элементов связаны с использованием в них жидкого электролита (ЖЭ), который несколько десятилетий назад и позволил создать эти источники тока. Наряду с высокой стоимостью и низкой технологичностью производства источников тока на основе ЖЭ, его применение в литиевых ХИТ приводит к ряду неприятных последствий: высокий саморазряд элемента вследствие окисления компонентов электролита на поверхности катода; - неполное использование активного материала катода из-за экранирования его поверхности непроводящими сепаратором и связующим; - значительное ухудшение качества работы литиевого электрода по мере разряда и хранения, вызываемое понижением проводимости специфической пленки, образованной компонентами электролита на его поверхности; - невозможность создания на базе ЖЭ тонкопленочных элементов сложной геометрической формы, востребованных современной микроэлектронной техникой.

- невозможность использования наноразмеренных материалов таких как углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены, нанодисперсные порошки активных веществ из-за интенсификации деструкции электролита на их высоких интегральных поверхностях, а в ряде случаев и растворения самих этих веществ [20,221. Все перечисленные недостатки первичных литиевых ХИТ на основе ЖЭ хоть и несколько сдерживают их повсеместное распространение, но, тем не менее, не стали критическими и объем продаж этих элементов, особенно в специальных областях применения, неизменно прирастает.

Сегодня доля рынка литиевых элементов на общем рынке первичных систем, денежный оборот которого оценивается величиной в 13 миллиардов долларов, составляет около 15',4, 40;4 и 50',4, в областях бытового, промышленного и военного потребления соответственно [23,241, но в ближайшее время в связи с разработкой новых портативных потребителей она должна стремительно прирастать. Среди первичных литиевых систем наибольшее распространение сегодня имеют системы с твердофазным катодным материалом. Эти элементы достаточно проработаны, безопасны и просты в эксплуатации. Среди них выделяются две системы Ь|/МпО~ и Ь|/(СГ,-)„которые можно рассматривать в качестве прямых конкурентов. К достоинствам первой можно отнести относительно невысокую стоимость при достижении значительных энергетических характеристик.

Элементы 1л/(СГ,.)„по сравнению с Ел/МпО~ несколько дороже но при этом их емкость выше приблизительно на 30',4. Кроме того собственного МпО~ Россия не имеет и вынуждена его импортировать, а производства фторированного углерода проработано и налажено уже в течение длительного времени. Поэтому развитие и разработка литий фторуглеродных систем в нашей стране выглядит более перспективной ~25-28). С момента появления химических источников тока ученым, занятым в этой области науки и техники, было очевидно, что создание наиболее энергоемких электрохимических систем возможно лишь с использованием лития в качестве анодного материала.