Химическая физика энергонасыщенных материалов и электрохимических накопителей энергии

Анализ данных по развитию энергонасыщенных материалов (пиротехнические составы, компоненты ракетных топлив) показывает, что темп роста эффективности новых высокоэнергетических материалов (ВЭМ) снижается, а степень риска работы с этими материалами возрастает. Наблюдается значительное увеличение чувствительности ВЭМ к механическим и термическому воздействиям, что приводит к значительному росту числа неконтролируемых выделений энергии, сопровождающихся зачастую экономическими потерями и даже человеческими жертвами. Кроме того, возросший уровень требований к энергомассовым, баллистическим и эксплуатационным характеристикам ВЭМ не обеспечивается существующими методами повышения эффективности применения компонентов, и зачастую проводимые исследования проигрывают зарубежным центрам как по приборному оснащению, так и по методологии исследований. Очевидна необходимость перехода на новый уровень фундаментального изучения термолиза и горения ВЭМ. Необходимо более глубокое проникновение в тонкий механизм протекающих процессов с помощью современных методов и приборов мирового уровня. Также высокие требования по безопасности эксплуатации предъявляются к химическим источникам тока. Переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии требует использования электрохимических систем хранения, в частности металл-ионных батарей. В следующем десятилетии растущий рынок электромобилей спровоцирует значительный рост спроса на литий-ионные аккумуляторы. Общеизвестно, что устройства, содержащие такие перезаряжаемые батареи, представляют угрозу, поскольку во время эксплуатации они могут воспламениться. По этой причине в последнее время большое внимание уделяется вопросам безопасности различных аккумуляторов, в первую очередь литий-ионных. Также большой интерес представляют сейчас натрий-ионные аккумуляторы вследствие более высокого содержания натрия в земной коре и, следовательно, более низкой его стоимости по сравнению с литием. В то же время натрий-ионные батареи имеют более низкие удельные характеристики, поэтому их рассматривают как решение для средних и крупных стационарных систем хранения энергии. Для устройств такого масштаба безопасность играет ключевую роль, вместе с этим для натриевых аккумуляторов процесс термического разгона всесторонне не изучен. Необходимо отметить, что на процесс термического разгона оказывает существенное влияние как состав материалов ячейки, так и условия ее предыдущей эксплуатации. Последнее также важно с точки зрения вторичного использования и последующей переработки отработанных литиевых аккумуляторов (в частности, после эксплуатации в электротранспорте). Вследствие этого исследование процессов термического разгона различных металл-ионных аккумуляторов и других физико-химических процессов, протекающих в ходе работы металл-ионных аккумуляторов, представляются крайне актуальной задачей. Целью данного исследования является разработка фундаментальных основ создания эффективных и безопасных энергонасыщенных материалов и металл-ионных химических источников тока на базе теоретического и экспериментального изучения физико-химических процессов, протекающих в ходе их применения.