Центр компетенций НТИ по направлению «Технологии создания новых и портативных источников энергии»

Центр компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии ФГБУН «Институт проблем химической физики Российской академии наук»;

Центр создан с целью преодоления ряда технологических барьеров в рамках выбранной «сквозной» технологии для следующих рынков НТИ:

Аэронет:
Устойчивая работа бортовых источников тока в широких диапазонах температур окружающей среды, высокие емкость батареи и время непрерывной работы. Достаточно высокая скорость разряда при высокой емкости.
Автонет:
Тяговые источники электропитания, способные обеспечить преодоление электромобилем расстояний более 600 км без подзарядки от внешнего источника питания.
Маринет:
Экологичные источники энергии мощностью свыше 40кВт и периодом работы без обслуживания более 24 мес.
Энерджинет:
Долговечный накопитель электроэнергии с низкой стоимостью энергоемкости. Ресурс — не менее 4000 циклов, срок службы не менее 12 лет. Стоимость энергоемкости не более $350 за кВт∙ч, приведенная стоимость хранения на жизненном цикле (LCOS) не более $300 за МВт∙ч.
Нейронет:
Портативные источники энергии, способные обеспечивать работу носимых телеметрических и биометрических устройств, обладающие достаточной мощностью и емкостью в совокупности с малым весом. Создание систем питания для инвазивных решений на основе токов человеческого тела, химических реакций с жидкостями человеческого тела.

Цели и задачи

Основные задачи Центра группируются вокруг следующих направлений:

Разработка нового поколения материалов и устройств, а также создание новых малых предприятий для демонстрации возможностей таких устройств для потребителей (создание новых рыночных ниш);
Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ для преодоления научно-технологических барьеров и вызовов рыночных групп;
Объединение компетенций разработчиков, производителей и потребителей новых источников энергии, создание инструментов для совместной работы;
Модификация системы подготовки кадров для новых рынков в сторону повышения мобильности компетенций в этой области;
Воспитание «квалифицированного заказчика» — путем верной установки технологических барьеров для решения «точных» отраслевых задач и формирования единой с заказчиком информационной среды;
Создание условий и предоставление высококвалифицированной помощи производителям и потребителям мобильных источников энергии, в том числе приборной, технической и научной помощи малым предприятиям различных форм собственности.

Научные задачи Центра компетенций направлены на снижение стоимости энергоустановок и получаемой энергии, увеличение энергоемкости и удельной мощности источников энергии, повышение их ресурса и стабильности работы. Ведутся работы по всем основным электрохимическим источникам энергии:

Создание новых литий-ионных аккумуляторов с повышенной удельной емкостью и стабильностью работы;
Создание новых типов проточных батарей с высокой мощностью и удельной энергоемкостью до 150-200 Вт*ч/кг для стационарных и транспортных приложений;
Создание широкого спектра энергоустановок на основе топливных элементов со сверхвысокой энергоемкостью (до 1000 Вт*ч/кг) и/или пониженной стоимостью установки и владения для транспортных, мобильных и стационарных применений;
Макеты транспортных средств на базе энергоустановок, использующих разработанные материалы и технологии — апробация разработанных технологий.

Задача образовательного направления Центра — агрегация разрозненных форм обучения, спецкурсов, создание единой модели обучения на разных этапах и усиление тех форматов обучения, которые признаются наиболее эффективными для подготовки специалистов в области новых и мобильных источников энергии.

Образовательная программа центра базируется на технологиях проектного обучения (система CDIO) и индивидуальном подходе к обучению, усилению формата дистанционного, онлайн и сетевого обучения. Основываясь на опыте организаций, входящих в консорциум, Центр охватывает все уровни обучения от школьного до повышения квалификации и докторантуры.

Результаты деятельности

В рамках Центра компетенций НТИ при ИПХФ РАН реализуется 14 проектов по тематике новых и мобильных источников энергии.

На сегодняшний день особо стоит отметить следующие результаты деятельности Центра:

Центром компетенций НТИ совместно с ЦИАМ им. Баранова разрабатывается электрический самолёт, грузоподъемностью в 200-250 кг с основным двигателем на водородно-воздушном топливном элементе. Планируемая продолжительность полёта должна составлять не менее двух часов. Рабочую полномасштабную модель самолёта планируется продемонстрировать на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019, который пройдёт в августе-сентябре.

Разработаны полностью твердотельные ячейки литий-ионных аккумуляторов на основе Nafion-подобных полимеров, эффективно циркулирующиеся в температурном интервале от минус 50 градусов до плюс 70 градусов Цельсия.

Синтезированы новые соединения на основе аддуктов Mg(BH4)2, способные выделять рекордные количества чистого водорода (более 13 процентов по массе). На основе полученных соединений ведется разработка зарядных устройств для работы в полевых условиях.

Проведены научные конференции «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела», «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», «Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики», «Источники энергии для электротранспорта», международная конференция «Проблемы преобразования энергии в литиевых источниках тока», молодежная школа «Материалы для электрохимических источников тока».

Консорциум

Проекты

Направление 1. Аккумуляторы

Высокоёмкие катодные материалы Li-ионных аккумуляторов на основе слоистых оксидов (> 250 мАч/г, > 1000 Вт*ч/кг).
Разработка высоковольтных материалов и электролитов для литий-ионных аккумуляторов (>4.5 В, > 700 Вт*ч/кг).
Пост-литий-ионные аккумуляторы на основе калия с энергоемкостью от 150 Вт*ч/кг (сопоставимой с современными литий-ионными аккумуляторами) и снижением стоимости по сравнению с литий-ионными аналогами от 30%.
Разработка технологии создания катодных и анодных материалов и электродов на их основе для высокоемких натрий-ионных аккумуляторов.
Разработка способов получения наноразмерного кремния и создание высокоемких (> 400 мАч/г, > 1500 Вт*ч/кг) материалов отрицательного электрода для литиевых аккумуляторов

Каждый из данных проектов должен заканчиваться созданием работающих прототипов соответствующих аккумуляторов.

Направление 2. Топливные элементы

Разработка мобильного электрохимического генератора на топливных элементах с применением водородного топлива. Новое поколение высокоэффективных электрохимических генераторов, обеспечивающих возможность использования загрязненного водорода, вплоть до синтез-газа, что обеспечит снижение стоимости топлива не менее чем на 30 %;
Разработка функциональных материалов для безопасного получения водорода из неорганических топлив с высоким удельным содержанием водорода по массе (не менее 7%);
Разработка электрокатализаторов прямого окисления спиртов. Новые электрокаталитические материалы позволят использовать спирты в качестве основного источника энергии в топливных элементах, что позволит достигнуть удельной энергоемкости до 800-1200 Вт*ч/кг;
Разработка неорганических электролитов для среднетемпературных топливных элементов до +250^оС для создания более дешевых топливных элементов и эффективных топливных элементов, работающих на загрязненном водороде;
Разработка микробных и биотопливных элементов. Поиск новых подходов к созданию микробных и биотопливных элементов с возможностью использования отходов и биологических жидкостей в качестве топлива.

Направление 3. Проточные батареи

Разработка новых редокс проточных аккумуляторов повышенной мощности.

В рамках проекта разрабатываются новые полимер-неорганические мембраны с высокими транспортными свойствами (проводимость > 10^-4 S см^-1); а также новые материалы для гибридных химических источников тока, работающих по принципу проточной батареи с повышенной энергоемкостью до 150-200 Вт*ч/кг.

Направление 4. Фотоэлектрические преобразователи

Разработка новых материалов (в том числе тонкопленочных) для фотовольтаических преобразователей с высоким КПД (более 40%, для мобильных и транспортных приложений).

Направление 5. Практическое применение

Создание ходовых макетов транспортных средств с электрической пропульсивной установкой с электрохимическим источником тока в составе источника генерации энергии.
Создание полностью электрической летательной платформы самолетного типа с силовой установкой на основе водородных топливных элементов.

Центр компетенций НТИ по направлению «Технологии создания новых и портативных источников энергии»

Цели и задачи

Результаты деятельности

Консорциум

Индустриальные партнеры:

Партнеры по научным исследованиям и образованию:

Проекты

Направление 1. Аккумуляторы

Направление 2. Топливные элементы

Направление 3. Проточные батареи

Направление 4. Фотоэлектрические преобразователи

Направление 5. Практическое применение

Образовательная деятельность

Команда

Контакты