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 компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по направлению «Технологии создания новых и портативных источников энергии» на базе Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии (ФИЦ ПХФ и МХ 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.

2020-2021 гг:

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.
Разработан и успешно протестирован в составе беспилотного летательного аппарата экспериментальный образец химического генератора водорода на основе материалов с удельным содержанием водорода более 13 % масс.

2022 г:

Открыта пилотная линия по производству и тестированию литий-ионных аккумуляторов.На линии будут выпускаться первые партии литий-ионных аккумуляторов с использованием разрабатываемых в Центре новых анодных и катодных материалов и электролитов в различных форматах.
Разработан новый анодный материал для литий-ионных аккумуляторов из наноразмерного кремния. Созданные на основе этого материала электроды показали очень хорошую разрядную емкость - порядка 900 миллиампер-час на грамм, что более чем в два раза выше, чем у графита, «классического» анодного материала литий-ионных аккумуляторов.

2023 г:

«Разработка системы металлогидридного накопления водорода для гибридной системы заправки техники водородом», в рамках которого была создана система накопления водорода емкостью 30 м3 (при н.у.); к системе накопления водорода была добавлена система компримирования и заправки водорода для наполнения баллонов высокого давления, используемых, например, в беспилотных авиационных системах.
Совместно с АО «ИЦ ЖТ» проведено создание комплексной мультифизической модели маневрового локомотива с гибридной энергетической установкой в среде Siemens Amesim и проведено функциональное моделирование работы локомотива в соответствии с заданными моделями эксплуатации.
В рамках проекта «Разработка технологий получения протон-проводящих мембран для топливных элементов и электролизеров из полимера отечественного производства совместно с ООО «Инэнерджи» были изготовлены лабораторные образцы мембраны.

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».
В 2021 году был разработан и успешно протестирован в составе беспилотного летательного аппарата экспериментальный образец химического генератора водорода на основе материалов с удельным содержанием водорода более 13 % масс.
Благодаря оптимизация составов и способов получения каталитических слоев для водородно-воздушных топливных элементов с воздушным охлаждением удалось увеличить удельную мощность, снимаемую с топливных элементов такого типа (с воздушным охлаждением) до 350 мВт/см2.
Получены анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов с емкостью более 1000 мАч*г имеющие стабильность более 300 циклов заряда-разряда.
В 2022 г успешно реализовывались проекты с использованием опытной линии по изготовлению топливных элементов с воздушным охлаждением.
Проведена серия работ, которые показали принципиальную возможность бактериальной утилизации растительных отходов типа жмыха с получением электричества.
Реализованы проекты «Разработка конструкции и малосерийной технологии изготовления сверхлёгких батарей топливных элементов (БТЭ)» и «Разработка опытного образца батареи топливных элементов мощностью 2 кВт для беспилотного летательного аппарата».

Создание важных объектов инфраструктуры

В период 2019-2022 гг Центром компетенции создано четыре важных объекта инфраструктуры:

Система заправки и обеспечения техники водородом, которая включает в себя комплекс из (1) водородной заправочной станции, (2) электролизной установки для получения водорода, (3) системы хранения водорода и (4) газовой арматуры для обеспечения возможности подключения техники и испытательного оборудования.
Водородная заправочная станция, введенная в эксплуатацию в 2019 году, активно использовалась как для заправки техники, разрабатываемой в рамках работ Центра, так и для обеспечения водородом индустриальных партнеров. В настоящее время объект включен в состав вновь созданного объекта инфраструктуры «Система заправки и обеспечения техники водородом».
Технологическая линия по производству микроорганизмов и технологическая линия по производству биомассы из микроорганизмов, предназначенные для получения биокатализаторов для микробных топливных элементов и биомассы для биотопливных элементов.
Опытная линия по изготовлению топливных элементов с воздушным охлаждением.
На технологической площадке Центра НТИ запущено мелкосерийное производство анодных материалов емкостью более 400 мА·ч/г и циклируемостью не менее 300 циклов с потерей емкости до 80%, производственная мощность 200 кг/год.

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. В настоящее время продолжаются работы над силовой установкой самолета.
В 2020 году после успешных испытаний Центром 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.
В 2021 году разработаны анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов с емкостью более 1000 мАч*г, имеющие стабильность более 300 циклов заряда-разряда. Уже начата работа по коммерциализации данной разработки совместно индустриальным партнером.
Химический генератор водорода на основе материалов с удельным содержанием водорода более 13 % масс успешно протестирован на беспилотном летательном устройстве заказчика.
Создана опытная партия энергоустановок на основе водородных топливных элементов с воздушным охлаждением мощностью 5 кВт для транспорта, которая используется на автономных автомобильных платформах индустриального партнера Центра.
В рамках сотрудничества с МФТИ был создан ряд опытных образцов систем водородной энергетики: образец беспилотного летательного аппарата мультироторного типа малой размерности с энергоустановкой на основе топливных элементов, образец гибридной системы хранения водорода с системой заправки баллонов высокого давления, образец переносной зарядной станции на основе топливных элементов и химического генератора водорода, объединенных в общий испытательный стенд водородных технологий.
При участии АО «Инжиниринговый центр железнодорожного транспорта» (АО «ИЦ ЖТ») проведено создание комплексной мультифизической модели маневрового локомотива с гибридной энергетической установкой в среде Siemens Amesim и проведено функциональное моделирование работы локомотива в соответствии с заданными моделями эксплуатации. По результатам моделирования были определены оптимальные параметры (технические характеристики) энергетической установки на основе топливных элементов для маневрового локомотива.

Создание и лицензирование РИДов

В рамках функционирования Центра в 2018-2023 гг. были созданы и зарегистрированы 40 РИД, среди которых:

17 патентов на изобретение;
7 патентов на полезные модели;
16 ноу-хау.

Шесть заявок на патенты на изобретения, из которых 5 поданы в 2023 г., находятся на рассмотрении.

В отчетном 2023 году Центр заключил 5 лицензионных соглашений на условиях неисключительной лицензии на 5 объектов интеллектуальной собственности, права на которые были переданы по таким лицензионным соглашениям.

Консорциум

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.

Разработка способов получения наноразмерного кремния и создание высокоемких материалов отрицательного электрода для литиевых аккумуляторов:

Разработан композит из наноразмерного кремния, полученного методом плазмохимического синтеза, и восстановленного оксида графена;
Созданные на основе данного материала электроды показали высокую разрядную емкость – порядка 900 мА·ч/г, что более чем в два раза выше, чем у графита, «классического» анодного материала литий-ионных аккумуляторов. При циклировании до 100 циклов разряда с повышенными скоростями (быстротоковый разряд анода за полчаса) емкость материала сохранялась на уровне не меньше чем 600 мА·ч/г.

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;
Создание мультироторного летательного аппарата с источником энергии на основе водородных топливных элементов.

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 2018-2023 годы в Центре подготовлено более 270 специалиста по основным образовательным программам высшего образования и дополнительным образовательным программам.

Разработано и запущено 6 новых образовательных программ, 6 программ дополнительного профессионального образования, разработано 8 учебно-методических материалов и обучающих ресурсов и 16 различных учебно-методических материалов и обучающих ресурсов (курс видеолекций “Электрохимические источники энергии”, обучающие ролики, демонстрационные стенды, методические указания для лабораторных практикумов, электронное учебно-методическое пособие “Электрохимия химических источников тока”).

В рамках постмониторинга Центр продолжает деятельность по обучению специалистов и разработке образовательных программ. После перехода на этап постмониторинга Центр НТИ сосредоточился в основном на стажировках заказчиков (например, из ПАО “КАМАЗ”), переведя разработанные основные образовательные программы (ООП) и программы дополнительного образования (ДПО) в полное ведение реализующих их образовательных организаций.

Наиболее востребованными у студентов образовательными программами Центра были магистерская программа «Возобновляемые источники энергии. Водородная и электрохимическая энергетика» («Hydrogen and electrochemical energetics»), реализованная совместно с Институтом арктических технологий МФТИ, а также магистерская программа «Нанотехнологии в электрохимическом производстве», созданная для ИжГТУ им. М.Т. Калашникова.

Самой востребованной программой ДПО стала подготовка специалистов по программам Летней и Зимней школы ЦК НТИ. За время проведения программ прошли обучение 54 человека.

Можно также отметить видеокурс «Водородная энергетика и экономика», который был специально разработан для работников непрофильных вузов, предприятий, министерств и ведомств.

Центр активно участвует в организации научных мероприятий:

В 2018-2023 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».