Центр компетенций НТИ по направлению «Технологии создания новых и портативных источников энергии»
Центр компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по направлению «Технологии создания новых и портативных источников энергии» на базе Института проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН, Черноголовка).
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.
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.
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.
Преодоление технологических барьеров
На сегодняшний день особо стоит отметить следующие результаты деятельности Центра:
2018-2019 гг:
- Разработаны полностью твердотельные ячейки литий-ионных аккумуляторов на основе Nafion-подобных полимеров, эффективно работающие 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 % по массе). На основе полученных соединений ведется разработка зарядных устройств для работы в полевых условиях.
2020 г:
- Созданы опытные образцы энергоустановок для робототехники на основе водородно-воздушных топливных элементов с удельной энергоемкостью более 700 Вт*ч/кг. Это позволит значительно увеличить автономность робототехнических комплексов на электрической тяге.
Значимые результаты научно-исследовательской деятельности
- За создание универсальной электрической автономной автомобильной платформы с источником энергии на основе водородного топливного элемента в декабре 2020 года получена благодарность первого заместителя Председателя Правительства России Андрея Белоусова и приз конкурса "Технологический прорыв - 2020".
Создание важных объектов инфраструктуры
- В 2020 году была введена в эксплуатацию водородная заправочная станция с возможностью заправки водородных электромобилей водородом с давлением до 350 бар. Наличие водородной заправочной станции является первым шагом по внедрению водородных технологий в электротранспорте и дает возможность как Центру, так и сторонним организациям заниматься проведением испытаний и внедрением энергоустановок на основе водородных топливных элементов в транспорте.
Внедрение и коммерциализация результатов деятельности Центра
- В 2019 году совместно с ЦИАМ им. Баранова начата разработка электрического самолёта 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 продемонстрировали на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019. Летные испытания намечены на лето 2021 года.
- В 2020 году после успешных испытаний Центом Компетенций автономной автомобильной платформы с источником энергии на основе водородного топливного элемента, индустриальным партнером были построены еще два аналогичных экземпляра, которые были представлены на открытии ЦКАД от Горьковского шоссе до трассы М4.
Создание и лицензирование РИДов
- За период 2018-2020 годы в Центре компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии было создано 17 РИД, как патентов, так и ноу-хау, направленных на закрепление как разработок в области новых материалов для химических источников тока, так и технологий, и изделий, использующих химические источники тока. На полученные РИД заключено 18 лицензионных договоров, дающих возможность индустриальным партнерам производить как разработанные материалы, так и изделия.
Индустриальные партнеры:
- ООО «Инэнерджи»
- ООО «Электротранспортные технологии»
- ООО «Научно-производственное объединение «Ижевские беспилотные системы»
- АО «Сарапульский радиозавод»
- ООО «НПК Морсвязьавтоматика»
- ЦИАМ им. П.И. Баранова
- ООО «Литеко»
- АО «ТВЭЛ»
- Кейптаунский университет (University of Cape Town)
- European Batteries Ltd
- АО «Сафоновский завод Гидрометприбор»
- ООО «ИНЭСИС»
- ООО «Лиотех Инновации»
- ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация»
- ООО «НПО «Центротех» (АО «ТВЭЛ»)
- ПАО «Камаз»
- ООО «СМЕ ИННОВАЦИИ»
- АО «Объединенная Двигателестроительная Корпорация»
- ПАО «Туполев»
- ЗАО «НПП «Маштест»
- ООО «Международный противопожарный центр»
- ООО НИЦ «ИРТ»
- ООО «Миландр-СМ»
- Международный академический парк Циндао
- ООО «НИЦ Топаз».
Научно-исследовательские и образовательные организации:
- Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
- Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования
- «Сколковский институт науки и технологий»
- Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
- Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
- Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
- Московский физико-технический институт (МФТИ)
- Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова
- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет»
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук
- Южно-Африканский институт химии передовых материалов Университета Западной Капской провинции
- Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт химии и механики»
- Всероссийский Научно-исследовательский институт Авиационных Материалов (ФГУП ВИАМ)
- Акционерное общество «Центральный Научно-исследовательский институт специального машиностроения»
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур РАН
- ФГБОУ ВО «СамГТУ»
- ФГАОУ ВО «СПбПУ»
- Международный академический парк Циндао
- Институт химии твердого тела УрО РАН
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.
В Центре ведутся работы по всем основным направлениям разработки электрохимических источников энергии:
Направление «Создание новых литий-ионных аккумуляторов с повышенной удельной емкостью и стабильностью работы»:
- Новое поколение высокоемких (> 250 мА*ч/г, > 1000 Вт*ч/кг) и высоковольтных (>4.5 В, > 700 Вт*ч/кг) катодных материалов и соответствующих электролитов для литий-ионных аккумуляторов с улучшенными электрохимическими характеристиками;
- Новое поколение высокоемких (> 400 мА*ч/г, > 1500 Вт*ч/кг) анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов с улучшенными электрохимическими характеристиками;
- Новое поколение материалов в системе «катод-электролит-анод» для создания калий-ионного и натрий-ионного аккумулятора с энергоемкостью от 150 Вт*ч/кг (сопоставимой с современными литий-ионными аккумуляторами) и ожидаемым снижением стоимости по сравнению с литий-ионными аналогами от 30%.
Направление «Создание новых типов проточных батарей с высокой мощностью и удельной энергоемкостью до 150-200 Вт*ч/кг для стационарных и транспортных приложений»:
- Новые полимер-неорганические мембраны с высокими транспортными свойствами (проводимость > 10-4 S*см-1);
- Новые материалы для гибридных химических источников тока, работающих по принципу проточной батареи с повышенной энергоемкостью до 150-200 Вт*ч/кг.
Направление «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»:
- Разработка новых технологий получения водородного топлива, в том числе из углеводородного топлива, низкокалорийных топлив, а также разработка новых функциональных материалов и технологических решений для безопасной генерации водорода из неорганических топлив с высоким удельным содержанием водорода по массе (не менее 7 %);
- 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;
- Высокоэффективные электролиты с рабочей температурой до 250оС для создания более дешевых топливных элементов и эффективных топливных элементов, работающих на загрязненном водороде;
- 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 новых подходов и технологических решений по созданию топливных элементов и энергоустановок на их основе для применения в составе транспорта и мобильных устройств;
- Новые подходы к созданию микробных и биотопливных элементов с возможностью использования отходов и биологических жидкостей в качестве топлив.
Направление «Макеты транспортных средств на базе энергоустановок, использующих разработанные материалы и технологии – апробация разработанных технологий»:
- Создание полностью электрической летательной платформы самолетного типа с силовой установкой на основе водородных топливных элементов;
- Создание ходовых макетов транспортных средств с электрической пропульсивной установкой с электрохимическим источником тока в составе источника генерации энергии.
Направления и специальности подготовки в рамках которых ведется образовательная деятельность Центра (число выпускников ежегодно):
- 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия — 5-10
- 04.06.04 Химические науки (аспирантура, докторантура) — 1-2
- 18.03.01, 18.03.02, 18.04.01, 18.04.02, 18.05.02 Химическая технология — 3-6
- 18.06.01 Химическая технология (аспирантура, докторантура) — 1
- 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов — 2-5
- 03.04.01 Прикладные математика и физика — 2-5
- 03.05.02 Фундаментальная и прикладная физика, 03.03.02, 03.04.02 Физика – 2-4
- 27.04.01, 27.04.01- «Стандартизация и метрология» — 1-4
- 03.06.01 – «Физика и астрономия (аспирантура, докторантура) – 1-2.
За 2018-2020 годы в Центре подготовлен 82 специалиста, из них 13 человек в рамках бакалавриата, 22- в рамках магистерских программ, остальные – в рамках – ДПО и ДОК.
За 2020 год совместно с партнерами центр реализовал 3 магистерских программы и одну программу специалитета, 3 программы ДПО, онлайн-школу и образовательно-практическую Летнюю школу. Созданы 5 методических и 2 учебных пособия по методам и материалам различных ХИТ.
Центр активно участвует в организации научных мероприятий:
В 2018-2020 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».
- Добровольский Юрий Анатольевич, руководитель,
+79036693093,
dobr62@mail.ru,
dobr@icp.ac.ru
- Антипов Евгений Евгеньевич, заместитель руководителя,
+79104245404, +79037552800,
antipovevgeny81@gmail.com
- Золотухина Екатерина Викторовна, куратор образовательных проектов,
+79253178978,
zolek@icp.ac.ru
- Левченко Алексей Владимирович, куратор научно-технических проектов,
+79260251713,
lyuq@icp.ac.ru,
alexey.levchenko@me.com
- Паевский Алексей Сергеевич, заместитель руководителя по коммуникациям,
+79261594424,
paevskii@icp.ac.ru,
aspasp@yandex.ru
- Шабанова Снежана Владимировна, пресс-секретарь,
+79160643529,
senezh@mail.ru