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.

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.

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

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.

Консорциум

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

Проекты

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.

Образовательная деятельность

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».