Разработка физико-химических основ создания новых термоэлектрохимических систем для аккумуляции рассеянной тепловой энергии

Проект посвящен созданию новых материалов для альтернативных источников электроэнергии, которые могли бы способствовать удовлетворению постоянно увеличивающихся потребностей общества и не наносить при этом вред окружающей среде. Целью проведенного исследования являлся поиск систем, позволяющих синтезировать голландитоподобные твердые растворы, электропроводность которых при высоких и низких температурах отличается на много порядков, что позволяет формировать, на холодном и горячем электродах термоэлектрохимических систем, разность электрических потенциалов, достаточную для того чтобы накапливать электрическую энергию в промышленном масштабе. В проведенном исследовании решалась задача поиска систем состава K2O-MxOy-TiO2, используемых в качестве материала-прекурсора для синтеза голландитоподобных твердых растворов, обладающих заданным химическим составом и позволяющим получить при их термической обработке кристаллические порошки, имеющие структуру голландита и обладающие требуемыми электрическими характеристиками, в том числе – при разных температурах.Термоэлектрохимические преобразователи на основе разрабатываемых материалов предназначены для использования тепловых градиентов от источников тепла, имеющихся на производственных предприятиях металлургии, стекольной и керамической промышленности, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, топливно-энергетических предприятиях (тепловое и котельное оборудование, печное оборудование) для выработки и аккумулирования электроэнергии. Принцип работы разработанных при выполнении работ по проекту термоэлектрохимических преобразователей основан на формировании разности потенциалов между двумя электродами, находящимися в контакте с твердым электролитов; при этом электроды системы находятся при разных температурах. Дополнительный вклад в формирование разности потенциалов между электродами вносит термоэлектрический эффект, возникающий за счет того, что в качестве твердого электролита используется полупроводниковый материал, представляющий собой твердый раствор, формируемы в системе k2O-MxOy-TiO2 (M – переходный металл), имеющий структуру голландита и обладающий свойствами полупроводника. Интенсификация процесса формирования разности потенциалов обеспечивается подбором оптимального состава твердого электролита и его модификацией. Структура и электрические свойства твердого электролита регулируются за счет использования в качестве материала-прекурсора для его получения - полититаната калия модифицированного в водных растворах переходных металлов и их смесей и последующей термической обработки полученного полупродукта. Аккумулирование электрического заряда обеспечивается благодаря высокой ионной проводимости в исследуемых системах, являющихся средне- и высокотемпературными электролитами. При наличии температурного градиента между электродами термоэлектрохимического преобразователя между ними возникает разность потенциалов, которую можно использовать для зарядки конденсаторных систем, использующих те же керамические материалы, но в изотермических низкотемпературных условиях. При этом, обеспечение высокой емкости будет достигаться в результате интеркаляции и резервирования носителей заряда на гетероструктурных модификаторах, вводимых в его состав. Применение недорогих ион-проводящих твердых растворов (сложные титанаты калия, имеющие структуру голландита) в качестве твердых электролитов, а также нанокомпозитных электродных материалов, способных накапливать большой электрический заряд благодаря большой емкости по катионам, содержащимся в твердом электролите, обеспечивает относительно низкую стоимость разрабатываемой продукции, что обеспечивает перспективы её широкого применения в промышленности. При этом возможность аккумулирования электричества одновременно с генерацией в том же устройстве позволяет существенно упростить и повысить надежность его эксплуатации. Таким образом, решение научно-технических задач проекта позволит создать необходимый базис для разработки и внедрения высокоэффективных устройств генерации и накопления электроэнергии, основанных на использовании термоэлектрохимических ячеек нового типа.