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