Технологии материалов и устройств электрохимических источников энергии

Отчет 55 с., 1 кн., 28 рис., 4 табл., 10 источн. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА, ВОДОРОД, ИОНПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ, ЭЛЕКТРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТАЛЛ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ, ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, РЕДОКС-БАТАРЕИ, ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА, МОДЕЛИРОВАНИЕ Тематика этапа объединяет следующие направления: 1) исследование влияния способов нанесения Pt/C катализатора на эффективность работы каталитического слоя, в том числе с учетом варьирования гидрофобных добавок и протон-проводящего иономера; 2) исследования физико-химических свойств катион-обменных перфторированных сульфокатионитных мембран с короткой боковой цепью, в том числе и обработанных различными неводными электролитами и пластификаторами; 3) проведение экспериментов по разложению метана в плазменном потоке аргона и/или азота, анализ получаемого углерода и состава получаемой смеси газов, оптимизация установки для создания плазменного разряда на водороде. Моделирование процессов разложения метана в плазменном водородном потоке; 4) проработка методов стабилизации активных электродных материалов в модельных полу- и полных ячейках металл-ионных аккумуляторов; 5) разработка и испытания единичного мембранно-электродного блока ванадиевой ПРБ в форм-факторе, удовлетворяющем требованиям для последующего производства промышленного стека мощностью более 1 кВт. Проведение научных исследований по вышеперечисленным направлениям ориентируется на достижение результатов мирового уровня в этих областях. Объектами исследования были каталитические слои на основе коммерческого электрокатализатора РМ-40 (1), перфторированная катионобменная мембрана Inion (2), углерод, полученный в ходе плазмохимического разложения метана, и основные узлы плазмохимической установки (3), кремний-углеродные композиты и литий-железо-фосфат в качестве электродных материалов ЛИА (4), ванадиевый электролит и единичный мембранно-электродный блок ванадиевой редокс-батареи (5). Цели по направлениям состояли в: поиске оптимального состава и способа нанесения каталитических чернил для водородно-воздушных топливных элементов (1), определении взаимосвязи «состав–структура–свойства» катион-обменных мембран со структурой Нафиона (2), оптимизации габаритов и характеристик узлов распределения СВЧ-энергии плазмохимической установки (3), поиске оптимальных условий для получения стабильных электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов (4), определении условий работы и габаритных характеристик мембранно-электродного блока ванадиевой редокс-батареи для создания устройства с заявленными характеристиками (5). В ходе работы: - проведены исследования по оптимизации состава и метода нанесения каталитического слоя единичного водородно-воздушного топливного элемента на основе коммерческого Pt/C электрокатализатора; достигнута удельная мощность такого элемента 929 мВт/см2 при 0.6 В при температуре 75 °C и давлении подаваемых газов 1 бар. - получены пластифицированные карбонатами образцы полимерных Нафион-подобных электролитов Inion с проводимостью по ионам лития и натрия для металл-ионных аккумуляторов; степень набухания полимеров в карбонатах (276% для Li+-формы и 8% для Na+-формы) приводит, соответственно, к неудовлетворительным механическим свойствам и относительно невысокой ионной проводимости (2 мкСм/см при 30 °C) полученных электролитов и невозможности их практического использования без дальнейшего усовершенствования методики синтеза полимерной матрицы. - проведены работы по моделированию участков волноводного тракта установки плазмохимического разложения метана; получено теоретическое подтверждение возможности ввода энергии со сдвигом по азимуту и возбуждением в разрядной камере двух когерентных электромагнитных волн со сдвигом по фазе для проведения плазмохимического разложения метана в соответствии с требованиями по устойчивости протекания процесса разложения метана. - разработана методика стабилизации активных электродных материалов на основе коммерческих литий-железо-фосфата и кремний-углеродного композита в полу- и полных ячейках литий-ионных аккумуляторов пуговичного типа CR2032; электрохимические исследования показывают обратимость циклирования ячеек, что свидетельствует о стабильности материала в ходе работы литий-ионного аккумулятора. Энергоёмкость полной модельной ячейки литий-ионного аккумулятора составила 124 Вт·ч/кг. - разработан единичный мембранно-электродный блок ванадиевой проточной редокс-батареи площадью 7.5×15 см2; батарея из 40 единичных мембранно-электродных блоков имеет проектную разрядную мощность 1 кВт при заряд/разрядном токе 20 А и энергоэффективность 75%.