Наноматериалы для Аккумуляторов

Литий-Ионные Аккумуляторы

На основе плазменных технологий и ФУМСНТ «ПЛАЗМАС» созданы новые образцы аккумуляторов — Литий-Ионные Аккумуляторы с высокими электрическими, энергетическими и конструктивными параметрами.

Полимерные нанокомпозиты с ФУМСНТ

Тонкие, легкие, гибкие электропроводящие пленки. Содержание УМСНТ до 99% масс. Электрическое сопротивление от 1 Ом/см до n ⋅100 кОм/см. Толщина 10 мкм — n ⋅100 мкм. Масса 1-2 мг/см². Длина, ширина = сантиметры, метры, ….- любая.


Нанокомпозитные легкие гибкие тонкие полимерные электропроводящие материалы

Образцы ЛИА с ФУМСНТ (FCMWNT) в качестве активной массы электрода в корпусах типа CR2016

Аккумуляторы для тестирования CR2016

Толщина активного слоя анода меньше в 10 раз. Емкость аккумулятора больше в 10 раз.

Плазменная модификация.

Сепаратор (Celgard). Активация. (microporous polypropylene).

Слева – сепаратор Celgard после плазменной модификации. On the left- after plasma modification. Справа – обычный сепаратор Celgard. On the right – initial separator. Электролитоемкость повышается в 1,5-2 раза. The capacity of the electrolyte up to 1,5-2 times.

Теоретическая модель ЛИА с ФУМСНТ ПЛАЗМАС

ООО «ПЛАЗМАС» и Институт Проблем Машиноведения РАН (СПб.)

При создании модели был сделан ряд допущений. Предполагалось, что поверхность анода покрыта нанотрубками (НТ) равномерно, и поэтому в первом приближении можно считать, что задача имеет периодический характер. С учетом этого допущения можно для моделирования выделить одну НТ с заданными по бокам периодическими граничными условиями как показано на слайде.

НТ будет моделироваться в виде толстостенно полого цилиндра (показано черным цветом) с прилегающей к нему областью, заполненной электролитом (показано голубым цветом).

К торцам расчетной области прикладывалась разность потенциалов, в результате чего в расчетной области возникал ток. На боковой поверхности задается равенство нулю производной потенциала по нормали к поверхности (граничные условия периодичности задачи).

Схема расчетной области

Основные уравнения

Уравнение для потенциала


Уравнение для потенциала записано в цилиндрической системе координат . (Ось z является осью НТ).

Граничные условия


Граничные условия в безразмерном виде таковы: — к торцам расчетной области приложена единичная разность потенциалов, на боковой поверхности области заданы условия периодичности.

Ток


Величина тока в любой точке расчетной области определяется по формуле (3). Коэффициент электропроводности среды σ является переменной величиной. В зависимости от положения точки коэффициент электропроводности σ равняется либо электропроводности НТ, либо электролита , либо электропроводности нарастающего на поверхности НТ слоя карбоната. По мере прохождения тока через поверхность НТ здесь будет накапливаться карбонат.

Количество осажденного карбоната


Накопление карбоната определяется в соответствии с текущим у поверхности НТ током, скалярно умноженным на нормаль к поверхности НТ в данной точке n в соответствии с формулой (4).

Электропроводность карбоната


Будем считать, что процесс накопления имеет предел (или, вводя для накопленного вещества масштаб ) имеет предел , при достижении которого величина тока в данной точке поверхности падает до нуля и процесс осаждения прекращается. В соответствии с этим введем коэффициент электропроводности поверхностного слоя , задается меняющимся от значения электропроводности электролита (при Q=0) до нуля при Q=1 . Вид этой зависимости на данном этапе был принят линейным в соответствии с формулой (5).

Изменение полного тока J и накопленного заряда (карбоната) Q во времени t

Показаны полученные расчетным путем графики изменения во времени полного тока J, протекающего через расчетную область, и величины накопленного на поверхности НТ карбоната Q. ( все величины приведены в безразмерном виде). Полный ток J изменяется во времени более сложным образом: до момента времени 1700 ток плавно уменьшается, затем в достаточно узком интервале времени 1700-1740 уменьшается в несколько раз весьма резко, а далее снова начинает плавно уменьшается до полного прекращения процесса примерно на момент времени 4700.

Линии тока при зарядке в последовательные моменты времени

Представлены детальные поля изолиний тока в последовательные моменты времени. Изолинии показывают направление течения тока.

Количество тока, протекающего между любыми двумя соседними изолиниями одно и тоже (т.е. равная величина).

Видно, что основной процесс зарядки в каждый отдельный момент времени осуществляется не по всей поверхности НТ, а в основном через достаточно неширокую часть поверхности. По мере накопления вещества на поверхности, эта часть поверхности двигается от конца НТ к ее основанию (сначала по внешней, а затем по внутренней поверхностям).

Тестирование образцов ЛИА с ФУМСНТ

Предельное напряжение заряда: 4,2 V / разряда: 3,0 VТок заряда / ток разряда: 0,750 mAЛИА с УМСНТ ( m = 0,003г.) 14.10.2007.


cycl Process t_start, min t_end, min dt, min E, mA*h mA*h/gr K,%
112 Charge 42,33 298,33 256,00 3,985 1328,33
Discharge 309,42 564,14 254,72 3,984 1328,00 99.5
113 Charge 574,58 827,08 252,50 3,972 1324,00
Discharge 838,25 1088,73 250,48 3,938 1312,67 99.2

Тестирование образцов ЛИА с ФУМСНТ в корпусах типа CR2016 в расширенном диапазоне 5,2V — 2,5V

  • Предельное напряжение заряда: 5,2 V, разряда: 2,5 V
  • Ток заряда / ток разряда: 0,750 mA
  • ЛИА с УМСНТ ( m = 0,0033г.)
  • ЛИА №139/1-НТ. Ноябрь 2007.
  • M NT anode= 0,0033g
  • Charge: 3,95 mA*h, Specific capacity = 3,95 / 0,0033 = 1196 мА*h/g
  • Discharge: 3,71 mA*h, Specific capacity = 3,71/ 0,0033 = 1124 mA*h/g
  • η= 0,9397

Test nanomaterials FCMWNT for Li-Ion accumulators

Change of сapacity of Li-Ion accumulator J = 1 mA. Q = 600 ►►►►2800 mAh / g active mass. ??? 6000 mAh / g active mass.???

Тестирование ЛИА с УМСНТ ПЛАЗМАС в лаборатории НАТО компании “Sunlight” Греция (2006г.) и в компании BYD, China. (2006г.)

Тестирование ЛИА с УМСНТ в корпусах типа CR2016 в компании BYD, China. (2006г.)


Литий Ионные Аккумуляторы с ФУМСНТ (10 Ачас, 1,6 Ачас/см3) и ЛИА с графитом (5 Ачас, 0,7 Ачас/см3)

При хранении опытных образцов ЛИА с ФУМСНТ в течение 10 лет cохранилось 90% от начальной электрической емкости

Ориентировочные оценки.

  • Ориентировочная стоимость нового наноматериала ФУМСНТ при массовом производстве ( 5000 кг/год ~ 5 Мега А-час/год) составит 150 – 200 €/кг, это на уровне стоимости лучших порошков графита, используемых сейчас для изготовления ЛИА.
  • Электрические параметры ЛИА повышаются на 50 – 70% (и более).
  • Технология изготовления ЛИА практически не изменяется.
  • Возможно уменьшение габаритов и веса ЛИА при тех же электрических параметрах.
  • Возможно повышение электрических параметров ЛИА при тех же габаритах.

Технология и материал запатентованы. Патент РФ Patent Russia № RU 2282919. 30.09.2005. PCT/RU2006/000215 WO2007/037717 A1 05.04.2007 «Углеродсодержащий материал для литий -ионного аккумулятора и литий -ионный аккумулятор» Филиппов А.К. Федоров.М.А. Филиппов Р.А.

Предлагается

  • Проведение исследовательских работ по заказам
  • Проведение совместных научно-исследовательских работ
  • Разработка различных типов, видов модификации, функционализации материалов
  • Разработка и изготовление лабораторного, опытного, промышленного оборудования для плазменной модификации материалов по согласованным параметрам
  • Организация новых производств для плазменной модификации материалов