Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

С развитием электроэнергетических систем, ростом мощностей возобновляемых источников становится все более острой проблема накопления и хранения энергии.

Одним из способов сохранения электроэнергии является использование химических источников тока — аккумуляторов. Наибольшее распространение получили аккумуляторы двух типов — свинцово–кислотные (стартерные батареи на транспортных средствах, резервные и аварийные источники энергии) и литий–ионные (современная бытовая техника, электромобили, промышленная электроэнергетика).

1. Литий–ионные аккумуляторы

В первых литий–ионных аккумуляторах в качестве материала анода использовался литий, который при частом заряде–разряде приводил к росту губкообразных структур из этого металла — дендритов. Это могло привести к замыканию электродов, что вызывало взрывы и возгорания. Проблему удалось решить путём применения вместо чистого лития — графита богатого литием [1]. Графит сдерживает рост дендритов в результате интенсивного оседания лития, однако это приводит к значительному снижению емкости батареи. При разряде батареи, ионы лития извлекаются из углеродного материала отрицательного электрода и накапливаются в виде оксида лития на положительном электроде. При заряде процессы идут в обратном направлении. Следовательно, во всей системе отсутствует металлический (нуль–валентный) литий, а процессы заряда и разряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Поэтому такие аккумуляторы называются «литий–ионными».

Рисунок 1 — Принцип работы Li–ion аккумулятора

Литий–ионные аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий, в некоторых случаях также имеется защита и от внешних коротких замыканий.

Преимуществами литий-ионных аккумуляторов являются:

1) высокая энергетическая плотность;

2) низкий саморазряд;

3) простота обслуживания.

Также к преимуществам можно отнести отсутствие «эффекта памяти», проявляющегося в обратимом снижении емкости из-за отклонений рекомендуемого режима заряда–разряда батареи. [2]

Недостатки литий-ионных аккумуляторов:

1) Чувствительность к перезарядам и переразрядам, в связи с этим они должны иметь ограничители заряда и разряда;

2) Снижение емкости при низких температурах;

3) Относительно быстрое старение. На жизненный цикл такого аккумулятора влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой, а также зарядка токами выше установленных производителем. Также аккумуляторы чувствительны и к напряжению зарядки. Возможен перегрев аккумулятора. Литиевые аккумуляторы стареют даже при неиспользовании. За 2 года батарея теряет около 4 % емкости. [2]

С целью повышения емкости литиевых аккумуляторов начались разработки литий–воздушных аккумуляторов.

2. Литий–воздушные аккумуляторы

В новых аккумуляторах было решено отказаться от положительного электрода как такового. Токообразующей реакцией является прямое взаимодействие лития с кислородом воздуха, использование которого в качестве катода может привести к плотностям энергии в 5–10 раз более высоким, чем получают в настоящее время [3]. В литий–воздушных аккумуляторах не используется кобальтат лития, что позволяет значительно их облегчить по сравнению с существующими батареями.

В аккумуляторе, который предложила компания FM Lab имеется две независимые камеры. В одной из них сосредоточили литиевый анод, а другая использовалась как резервуар для накопления воздуха. Вместо органической жидкости инженеры FM Lab использовали полную твердую пластину. В своих первых экземплярах они применяли стеклокерамические пластины, толщиной не более 100 мм. Толщина играла немаловажную роль, так как в случае нарушения вышеуказанных параметров, ионы лития оседали бы в пластине, не доходя до катода. Со временем, с целью удешевления производства, такие пластины заменили на полимер–керамические, которые хорошо проводят твердые газоплотные смеси. В качестве катодного материала используется углеродная губка — пористая воздухопроводящая структура. В результате притягивания электронов лития кислородом и вбирания его через электролит, образуется твердый осадок, который распадается при процессе заряда — электроны начинают двигаться в обратном направлении, чистый кислород без вредных примесей возвращается в окружающую среду, а ионы лития снова мигрируют в пластинчатый электролит. Чтобы кислород поступал в аккумуляторы без примесей, его подают из баллонов, предварительно очистив через специальные системы фильтрации. В электрических транспортных средствах происходит обдувка катода воздухом, приходящим через воздухофильтры, с целью его очистки и охлаждения. [3]

Рисунок 2 — Принцип работы литий–воздушного аккумулятора

Основными недостатками литий–воздушных батарей являются быстрый износ и низкий коэффициент отдачи энергии.

Эту проблему обещает решить разработка литий–кислородных аккумуляторов. В них используются наночастицы, содержащие литий и кислород. При этом, в отличии от литий–воздушных аккумуляторов, кислород при изменении состояний сохраняется внутри частицы и не возвращается в газовую фазу. Это позволяет сократить потерю энергии и увеличить срок службы батареи. Также такие аккумуляторы защищены от избыточной зарядки и не портятся при контакте с влагой и углекислым газом, в отличие от литий-воздушных аккумуляторов. Но пока что это только лабораторный прототип (разработки и исследования ведутся в Кембриджском университете) [4].

3. Графеновые аккумуляторы

Графен — это кристаллическая двумерная поверхность, толщиной в 1 или 2 атомных слоя. Он представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Графен обладает высокой прочностью и энергоемкостью. В 2004 году русским ученым Константину Новоселову и Андрею Гейму, работающим в Манчестерском университете, удалось получить графен на подложке оксида кремния [5]. Эта пленка, толщиной в один атом, в миллион раз тоньше обычного листа бумаги. В 2010 году за свои исследования графена они получили Нобелевскую премию.

В настоящий момент существует две технологии получения графеновых аккумуляторов. В первом случае в качестве катода используются чередующие пластины графена и кремния, а в качестве анода LiCoO2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO2 заменяют оксидом магния, который дешевле и в котором отсутствуют некоторые минусы лития. В данное время ведутся разработки по применению магния, так как литий бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения.

Рисунок 3 — Схематическое отображение работы графенового аккумулятора

Преимущества графеновых аккумуляторов: