Создание материалов электрода существенно увеличивающих срок эксплуатации литий ионной батареи

Цель НИОКРа : создание материалов электрода существенно увеличивающих срок эксплуатации литий ионной батареи и способных обеспечивать нагрузку более 20 С. Заряжаться/разряжаться при низких температурах.

Начало работы : август 2010 года

Работы завершены в сентябре 2011 года 
Финансирование : За счет собственных средств ООО «НПО ССК»

Краткое описание работ 

Актуальность работы: В начале 50-х годов в СССР начали производить NiCd ( удельная энергоемкость 28-40) Вт.ч./кг аккумуляторы для нужд вооруженных сил СССР.

Это была маленькая революция , они были работоспособны при минус 40 гр. по Цельсию (остаточная емкость составляет 20 % от номинала, при токе нагрузке 0.1 С).
Где С -емкость аккумулятора
С означает величина тока нагрузки 10% от заявленной емкости аккумулятора.
Пример : аккумулятор емкостью 100 а.ч. под нагрузкой в 10 А , при температуре минус 40 оС разряжался за 2 часа.

С середины 80-х годов в технологически развитых странах начали исследование Li-ion аккумуляторов. Задача которая ставилась перед ученными создание Li-ion аккумуляторов с высокими удельными параметрами.

Li-ion аккумуляторы были разбиты на группы .

1. Аккумуляторы малоточные для портативных приборов.
2. Среднеточные аккумуляторы для электронапольного транспорта.
3. Аккумуляторы большой энергоемкости ( для нужд энергетики).

Почти все компании , в том числе и российские за исключением Альтаир нано (США) и Тошибы (Япония) в качестве анода использовали углерод.
Поэтому у всех электрохимических систем с углеродным анодом присутствует повторяемые недостатки .
Основные недостатки:

1. При нагреве выше 55 о С высока вероятность терморазгона .При разогреве выше 130 оС воспламенение.

2. Невозможность заряда аккумуляторов при температуре ниже минус 5 оС .

3. При увеличении тока заряда/разряда выше 1С резкая деградация аккумуляторов.

4. Очень малая остаточная емкость аккумулятора при температурах ниже минус 30 оС.

Предварительный краткий вывод : Каждый тип Li-ion аккумулятора обладает своими преимуществами.
Одни Li-ion аккумуляторы имеют очень высокую энергоемкость выше 250 Вт.ч/кг , но малый срок эксплуатации (до 500 циклов заряда/разряда при глубине разряда 80 %). Другие аккумуляторы имеют средние удельные характеристики , но более большой срок эксплуатации (до 3000 циклов заряда/разряда при глубине разряда 80 % .), третья группа аккумуляторов имеют огромное количество циклов заряда разряда более 40 000 , но низкие удельные параметры (от 70-92 Вт.ч./кг).

Преимущества и недостатки Li-ion аккумуляторов с литий титанатным анодом..

В РФ минусовые температуры это норма. Поэтому , на смену NiCd аккумуляторам в ВС РФ придут Li-ion аккумуляторы с анодом из литий титаната или композитным анодом (основа углерод+ материал обеспечивающий вакансии для ионов лития )

Основное преимущество Li-ion аккумуляторов с анодом это:

• - очень высокие токи заряда/разряда до 30 С ,
• - при нагрузке 2 С количество циклов заряда/разряда 16 000.
• - остаточная емкость аккумулятора при температуре минус 40 оС 50 % .
• -возможность заряда/разряда при температуре минус 40 оС
• - удельная энергоемкость аккумулятора в три раза выше чем уNiCd.

Итоги проведенного НИОКР:

В рамках работы был синтезирован модифицированный литий-титанат. Его применение позволяет увеличить количество циклов заряда-разряда литий-ионной батареи до 40 000. Максимальный ток разряда составил 20 С. Остаточная емкость батареи при температуре минус 45 °C достигла 68%. Аккумуляторы принимали заряд при температуре минус 40 °C током 0,1 С без деградации материалов и электролита.