eng
Выпуск #5/2021
А. Рябцева, В. Петрова, Г. Бельских, Д. Булатников, Д. Тетерин, А. Попов
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНОГО УГЛЕРОДНО-ПОЛИМЕРНОГО ИОНИСТОРА
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНОГО УГЛЕРОДНО-ПОЛИМЕРНОГО ИОНИСТОРА
Просмотры: 1186
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.206.5.52.55
В АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова» создана технология изготовления многослойного углеродно-полимерного ионистора с применением передовых материалов. В статье рассмотрены особенности конструктивно-технологического исполнения, характеристики, сферы применения нового устройства, проведено сравнение с импортными аналогами.
В АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова» создана технология изготовления многослойного углеродно-полимерного ионистора с применением передовых материалов. В статье рассмотрены особенности конструктивно-технологического исполнения, характеристики, сферы применения нового устройства, проведено сравнение с импортными аналогами.
Теги: aqueous electrolyte charge-discharge curve electrochemical capacitor hybrid supercapacitor multilayer carbon-polymer ionistor водный электролит гибридный суперконденсатор кривая заряда-разряда многослойный углеродно-полимерный ионистор электрохимический конденсатор
Электрохимическая система накопления энергии на основе многослойного
углеродно-полимерного ионистора
А. Рябцева , В. Петрова , Г. Бельских , Д. Булатников ,
Д. Тетерин , А. Попов
Одним из перспективных направлений разработок в области накопителей электрической энергии являются ионисторы [1]. В АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова» создана технология изготовления многослойного углеродно-полимерного ионистора с применением передовых материалов. В статье рассмотрены особенности конструктивно-технологического исполнения, характеристики, сферы применения нового устройства, проведено сравнение с импортными аналогами.
Ионистор, разработанный в АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова», – универсальное устройство, объединяющее в себе функции электрохимического конденсатора, гибридного конденсатора и химического источника тока и обеспечивающее эффективную работу в различных режимах накопления и выдачи энергии [1].
Устройство адаптировано для работы в различных режимах эксплуатации и способно работать:
Особенности режимов заряда-разряда ионистора проиллюстрированы на рис. 1.
В конструкции и технологии изготовления устройства не используются токсичные, взрывоопасные и легковоспламеняющиеся компоненты.
Преимуществами разработанного ионистора являются:
Основные характеристики ионисторов, созданных по разработанной технологии, представлены в табл. 1.
В конструкции ионистора применены высокотехнологичные материалы (в том числе, наномодифицированные) и электролит с улучшенными характеристиками, что позволило создать качественно новый продукт для рынка электрохимических источников тока (рис. 2).
Ионистор представляет собой многослойную полимер-углеродную систему, состоящую из определенного количества элементарных ячеек. Элементарная ячейка (рис. 3) содержит два разноименных углеродных электрода, пропитанных электролитом, и сепаратор между ними.
Элементарная ячейка включает в себя:
Использование в качестве коллектора токопроводящего полимера позволяет исключить химическое взаимодействие элементов конструкции устройства с электролитом, а гидроизоляционный слой исключает пробой по электролиту. Данные обстоятельства способствуют повышению надежности устройства.
Водный электролит обеспечивает ряд преимуществ:
Многослойный ионистор имеет модульную конструкцию, позволяющую, как и в случае аккумуляторных батарей, собирать энергетические блоки на необходимое рабочее напряжение, мощность и запасаемую энергию с учетом требований приложения (рис. 4).
Для обеспечения работы устройства в условиях экстремально низких температур в конструкции предусмотрены специальные встроенные нагреватели. С помощью датчиков обеспечивается контроль температуры внутри устройства.
Герметичность ионистора достигается посредством монтажа ячеек в корпус из облегченного сплава и последующей заливки высокотехнологичным многокомпонентным компаундом. Возможно бескорпусное исполнение.
Особенности структуры и режимы работы ионистора позволяют унифицировать его применение как для маломощных систем (например, резервных источников питания для аварийных бортовых самописцев), так и для систем, требующих большой мощности в короткий период времени (к примеру, запуск ДВС или компенсация просадок напряжения).
Среди областей применения разработанного устройства можно выделить:
Сегодня одним из самых распространенных импортных продуктов в различных областях техники являются суперконденсаторы большой емкости. Среди основных зарубежных производителей суперконденсаторов можно выделить Maxwell Technologies (США) и Nesscap (Ю. Корея). Данные производители в своих изделиях используют органические электролиты, которые обладают рядом недостатков:
В табл. 2 представлено сравнение характеристик импортных аналогов с разработанным ионистором.
Разработанное устройство обладает повышенными характеристиками по сравнению с импортными аналогами, при этом является более экологичным и безопасным, имеет расширенный температурный диапазон. Технология изготовления ионистора более простая и дешевая в сравнении с импортными продуктами. Данное обстоятельство позволяет ориентировать производство на импортозамещение электрохимических конденсаторов зарубежного производства (суперконденсаторов, ионисторов, гибридных конденсаторов) и создание устройства нового типа для пожаровзрывобезопасных и экологически чистых автономных источников энергии с повышенными удельными параметрами в авиационной и космической отрасли.
Разработанный ионистор используется в устройстве блока бесперебойного питания регистратора (ББПР) для российского перспективного гражданского самолета, когда в зарубежных аналогах ББПР в качестве накопителя электроэнергии применены аккумуляторные батареи. Использование ионистора в качестве накопителя энергии являет собой уникальный опыт, позволяющий получить устройство, не имеющее аналогов применения в авиационной технике в мире.
Разработанная технология изготовления многослойного углеродно-полимерного ионистора позволяет создавать безопасные перспективные устройства накопления, хранения и выдачи энергии для различных применений в технике воздушного, наземного и морского базирования. В рамках рабочей поездки в г. Курск, состоявшейся 20 ноября 2020 года, в целях развития промышленности Курской области Министром промышленности и торговли Российской Федерации Д. В. Мантуровым дано поручение о расширении производства электрохимических ионисторов и о необходимых мерах государственной поддержки АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова».
ЛИТЕРАТУРА
Попов А. Н., Майоров А. В., Тетерин Д. П. и др. Бортовое радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов / Под ред. Д. П. Тетерина. М.: Инновационное машиностроение, 2020. 512 с. ISBN 978-5-907104-48-8.
Boses S., Kuila T., Mishra A. K., Rajasekar R., Kim N. H., Lee J. H. Carbon-based nanostructured materials and their composites as supercapacitor electrodes // Journal of materials chemistry. 2012. V. 22. No. 3. PP. 767–784.
Cheng Z., Wenbin H. Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors // Chem. Soc. Rev. 2015. No. 44. PP. 7489–7499.
Бибиков С. Б., Мальцев А. А., Кошелев Б. В. и др. Перспективные накопители энергии типа суперконденсаторов: принципы работы и применение в авиации и космической технике // Вестник МАИ. 2016. Т. 23. Вып. 2. C. 185–194.
углеродно-полимерного ионистора
А. Рябцева , В. Петрова , Г. Бельских , Д. Булатников ,
Д. Тетерин , А. Попов
Одним из перспективных направлений разработок в области накопителей электрической энергии являются ионисторы [1]. В АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова» создана технология изготовления многослойного углеродно-полимерного ионистора с применением передовых материалов. В статье рассмотрены особенности конструктивно-технологического исполнения, характеристики, сферы применения нового устройства, проведено сравнение с импортными аналогами.
Ионистор, разработанный в АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова», – универсальное устройство, объединяющее в себе функции электрохимического конденсатора, гибридного конденсатора и химического источника тока и обеспечивающее эффективную работу в различных режимах накопления и выдачи энергии [1].
Устройство адаптировано для работы в различных режимах эксплуатации и способно работать:
- при низком напряжении – как конденсатор с двойным электрическим слоем;
- при среднем напряжении – как гибридный суперконденсатор;
- при высоком напряжении – как аккумулятор.
Особенности режимов заряда-разряда ионистора проиллюстрированы на рис. 1.
В конструкции и технологии изготовления устройства не используются токсичные, взрывоопасные и легковоспламеняющиеся компоненты.
Преимуществами разработанного ионистора являются:
- полная герметичность;
- работоспособность в любом положении в пространстве;
- отсутствие токсичных и огне-взрывоопасных материалов;
- полная необслуживаемость;
- простой алгоритм эксплуатации;
- отсутствие ограничений на транспортировку любым видом транспорта.
Основные характеристики ионисторов, созданных по разработанной технологии, представлены в табл. 1.
В конструкции ионистора применены высокотехнологичные материалы (в том числе, наномодифицированные) и электролит с улучшенными характеристиками, что позволило создать качественно новый продукт для рынка электрохимических источников тока (рис. 2).
Ионистор представляет собой многослойную полимер-углеродную систему, состоящую из определенного количества элементарных ячеек. Элементарная ячейка (рис. 3) содержит два разноименных углеродных электрода, пропитанных электролитом, и сепаратор между ними.
Элементарная ячейка включает в себя:
- биполярный коллектор – полимерную углеродсодержащую пленку толщиной не более 100 мкм с герметизирующим гидрофобным слоем по периметру;
- электрод – формоустойчивый тканный материал на основе наномодифицированного углерода с высокоразвитой удельной поверхностью [2];
- сепаратор – полимерный либо композиционный материал, разделяющий разнополярные электроды;
- электролит – водный раствор неорганических соединений, который дополнительно выполняет функцию наноструктурного модификатора поверхности углерода. В электролит введены добавки в виде неорганических сильнодиссоциирующих в воде соединений, позволяющих повысить поверхностную сорбцию ионов и увеличить удельную емкость.
Использование в качестве коллектора токопроводящего полимера позволяет исключить химическое взаимодействие элементов конструкции устройства с электролитом, а гидроизоляционный слой исключает пробой по электролиту. Данные обстоятельства способствуют повышению надежности устройства.
Водный электролит обеспечивает ряд преимуществ:
- простота изготовления;
- отсутствие специального дорогостоящего оборудования для пропитки материала электрода;
- дешевле органических аналогов;
- более безопасный и экологичный [3].
Многослойный ионистор имеет модульную конструкцию, позволяющую, как и в случае аккумуляторных батарей, собирать энергетические блоки на необходимое рабочее напряжение, мощность и запасаемую энергию с учетом требований приложения (рис. 4).
Для обеспечения работы устройства в условиях экстремально низких температур в конструкции предусмотрены специальные встроенные нагреватели. С помощью датчиков обеспечивается контроль температуры внутри устройства.
Герметичность ионистора достигается посредством монтажа ячеек в корпус из облегченного сплава и последующей заливки высокотехнологичным многокомпонентным компаундом. Возможно бескорпусное исполнение.
Особенности структуры и режимы работы ионистора позволяют унифицировать его применение как для маломощных систем (например, резервных источников питания для аварийных бортовых самописцев), так и для систем, требующих большой мощности в короткий период времени (к примеру, запуск ДВС или компенсация просадок напряжения).
Среди областей применения разработанного устройства можно выделить:
- системы стабилизации напряжения бортовой сети, резервные источники питания электрооборудования ЛА и наземной техники;
- системы компенсации пиковых нагрузок;
- источники импульсной энергии для питания передающих устройств радиолокационных систем, систем связи и передачи данных;
- накопители энергии в системах рекуперации / акселерации / аварийного автономного хода гибридных транспортных средств;
- обеспечение импульсной энергией сервоприводов роботов, импульсной нагрузки БПЛА, аварийных источников энергии малых космических аппаратов;
- пусковые системы двигателей внутреннего сгорания (в том числе в экстремальных условиях) и др. [4].
Сегодня одним из самых распространенных импортных продуктов в различных областях техники являются суперконденсаторы большой емкости. Среди основных зарубежных производителей суперконденсаторов можно выделить Maxwell Technologies (США) и Nesscap (Ю. Корея). Данные производители в своих изделиях используют органические электролиты, которые обладают рядом недостатков:
- токсичность;
- огнеопасность;
- сложность изготовления;
- высокая стоимость;
- высокое внутреннее сопротивление по сравнению с водным электролитом;
- ограничение по низким температурам.
В табл. 2 представлено сравнение характеристик импортных аналогов с разработанным ионистором.
Разработанное устройство обладает повышенными характеристиками по сравнению с импортными аналогами, при этом является более экологичным и безопасным, имеет расширенный температурный диапазон. Технология изготовления ионистора более простая и дешевая в сравнении с импортными продуктами. Данное обстоятельство позволяет ориентировать производство на импортозамещение электрохимических конденсаторов зарубежного производства (суперконденсаторов, ионисторов, гибридных конденсаторов) и создание устройства нового типа для пожаровзрывобезопасных и экологически чистых автономных источников энергии с повышенными удельными параметрами в авиационной и космической отрасли.
Разработанный ионистор используется в устройстве блока бесперебойного питания регистратора (ББПР) для российского перспективного гражданского самолета, когда в зарубежных аналогах ББПР в качестве накопителя электроэнергии применены аккумуляторные батареи. Использование ионистора в качестве накопителя энергии являет собой уникальный опыт, позволяющий получить устройство, не имеющее аналогов применения в авиационной технике в мире.
Разработанная технология изготовления многослойного углеродно-полимерного ионистора позволяет создавать безопасные перспективные устройства накопления, хранения и выдачи энергии для различных применений в технике воздушного, наземного и морского базирования. В рамках рабочей поездки в г. Курск, состоявшейся 20 ноября 2020 года, в целях развития промышленности Курской области Министром промышленности и торговли Российской Федерации Д. В. Мантуровым дано поручение о расширении производства электрохимических ионисторов и о необходимых мерах государственной поддержки АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова».
ЛИТЕРАТУРА
Попов А. Н., Майоров А. В., Тетерин Д. П. и др. Бортовое радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов / Под ред. Д. П. Тетерина. М.: Инновационное машиностроение, 2020. 512 с. ISBN 978-5-907104-48-8.
Boses S., Kuila T., Mishra A. K., Rajasekar R., Kim N. H., Lee J. H. Carbon-based nanostructured materials and their composites as supercapacitor electrodes // Journal of materials chemistry. 2012. V. 22. No. 3. PP. 767–784.
Cheng Z., Wenbin H. Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors // Chem. Soc. Rev. 2015. No. 44. PP. 7489–7499.
Бибиков С. Б., Мальцев А. А., Кошелев Б. В. и др. Перспективные накопители энергии типа суперконденсаторов: принципы работы и применение в авиации и космической технике // Вестник МАИ. 2016. Т. 23. Вып. 2. C. 185–194.
Отзывы читателей
