Состояние и перспективы развития мобильных источников тока

Разработаны физико-химические основы базовых конструкций и технологий производства перспективных электролитических ячеек для накопления электрической энергии с удельной энергоемкостью для многоразовых ячеек — 350—500 Вт ⋅ ч/кг на первом этапе и 1000 Вт ⋅ ч/кг на втором. Наряду с традиционными химическими источниками тока и ионисторами появляются сверхъемкие конденсаторные структуры с тонким диэлектриком в двойном электрическом слое и гибридные конденсаторы, в которых энергия накапливается как в двойном электрическом слое, так и за счет протекания электрохимических процессов. Такой подход позволяет снизить внутреннее сопротивление электролитических ячеек, что приводит к уменьшению тепловыделения в процессе работы и, соответственно увеличению удельной энергоемкости, безопасности эксплуатации, снижению времени зарядки, а также обеспечению роста удельной мощности. Перспективным анодом является наноструктурированный электродный материал, который представляет собой матрицу на основе углерода, заполненную наноструктурированным химически активным материалом. Перспективными материалами для заполнения углеродной матрицы являются Li и его сплавы, Si, Al, Na, Sn, Mg, Zn, Ni, Co, Ag, а также ряд других материалов и их соединений. Исследовано влияние на удельную энергоемкость удельной площади углеродного материала, диэлектрической проницаемости, добавления химически активного вещества. Рассчитаны теоретические значения удельной энергоемкости гибридных конденсаторов с металл-воздушной системой. Разработан тонкопленочный технологический комплекс, обеспечивающий создание нового поколения электродных материалов, конструкция которых представляет собой углеродную матрицу с высокоразвитой поверхностью, в которой находится туннельнотонкий диэлектрик, на поверхности которого размещен химически активный материал.

1. Склезнев А.А. Анализ основных тенденций развития химических источников тока и других накопителей энергии. Отчет, шифр «ТОК». М.; 2017.

2. Слепцов В.В., Зинин Ю.В., Дителева А.О. Перспективы развития мобильной энергетики. Успехи в химии и химической технологии. 2019; 33(1(211)): 28—30.

3. Zhang X., Qu N., Yang S., Lei D., Liu A., Zhou Q. Cobalt induced growth of hollow MOF spheres for high performance super- capacitors. Materials Chemistry Frontiers. 2021; (5): 482—491. https://doi.org/10.1039/D0QM00597E

4. Liu X., Shi C., Zhai C., Cheng M., Liu Q., Wang G. Cobalt-based layered metal-organic framework as an ultrahigh capacity supercapacitor electrode material. ACS Applied Materials and Interfaces. 2016; 8(7): 4585—4591. https://doi.org/10.1021/acsami.5b10781

5. Yang J., Ma Z., Gao W., Wei M. Layered structural co-based MOF with conductive network frames as a new super-capacitor electrode. Chemistry-A European Journal. 2017; 23(3): 631—636. https://doi.org/10.1002/chem.201604071

6. Zhang Y., Wang Y., Xie Y.-L., Cheng T., Lai W., Pang H., Huang W. Porous hollow Co3O4 with rhombic dodecahedral structures for high-performance super-capacitors. Nanoscale. 2014; 6(23): 14354—14359. https://doi.org/10.1039/c4nr04782f

7. Mukhiya T., Ojha G.P., Dahal B., Kim T., Chhetri K., Lee M., Chae S.-H., Muthurasu A., Tiwari A.P., Kim H.Y. Designed assembly of porous cobalt oxide/carbon nanotentacles on electrospun hol-low carbon nanofibers network for supercapacitor. ACS Applied Energy Materials. 2020; 3: 3435—3444. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b02501

8. Lebedeva N., Di Persio F., Boon-Brett L. Lithium-ion battery value chain and related opportunities for Europe. EUR 28534 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg; 2017:JRC105010. 25 p. https://doi.org/10.2760/6060

9. Лебедев Е.А. Разработка процессов формирования и исследование свойств элементов выделения тепла и накопления энергии для термоэлектрических батарей. Дисс. … канд. техн. наук. М.; 2017. 184 с.

10. Hou S., Lian Y., Bai Y., Zhou Q., Ban Ch., Wang Zh., Zhao J., Zhang H. Hollow dodecahedral Co3S4@NiO derived from ZIF-67 for supercapacitor. Electrochimica Acta. 2020; 341: 136053. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136053

11. Bai X., Liu J., Liu Q., Chen R., Jing X., Li B., Wang J. In-situ fabrication of MOF-derived co-co layered double hydroxide hollow Nanocages/Graphene composite: a novel electrode material with superior electrochemical performance. Chemistry-A European Journal. 2017; 23(59): 14839—14847. https://doi.org/10.1002/chem.201702676

12. Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L.K., Qi Y. Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies. Journal of Materials Chemistry A. 2019; 7(7): 2942. https://doi.org/10.1039/c8ta10513h

13. Deng X., Li J., Ma L., J. Sha, Zhao N. Three-dimensional porous carbon materials and their composites as electrodes for electrochemical energy storage systems. Materials Chemistry Frontiers. 2019; (11): 2221—2245. https://doi.org/10.1039/C9QM00425D

14. Kim T., Song W., So Y., Qi Y. Linium-ion batteries: outloo and hybridized technologies. Journal of Materials Chemistry A. 2019; 7(7): 292. https://doi.org/10.1039/D3TA01384G

15. Chernysheva M.N., Rychagov A.Yu., Kornilov D.Yu., Tkachev S.V., Gubin S.P. Investigation of sulfuric acid intercalation into thermally expanded graphite in order to optimize the synthesis of electrochemical graphene oxide. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2020; 858: 113774. https://doi.org/10.1016/j.jelechem. 2019.113774

16. Shang W., Yu W., Tan P., Chen B., Wu Zh., Xud H., Ni M. Achieving high energy density and efficiency through integration: progress in hybrid zinc batteries. Journal of Materials Chemistry A. 2019; 7(26): 15564. https://doi.org/10.1039/C9TA04710G

17. Козьменкова А.Я. Положительные электроды литий-кислородных аккумуляторов на основе бинарных соединений титана. Дисс. … канд. техн. наук. М.; 2018. 147 с.

18. Гороховский А.В., Палагин А.И., Панова Л.Г., Устинова Т.П., Бурмистров И.Н., Аристов Д.В. Производство субмикро-наноразмерных полититанатов калия и композиционных материалов на их основе. Нанотехника. 2009; (3(19)): 38—44.

19. Sanchez-Monjaras T., Gorokhovsky A.V., Escalante-Garcia J.I. Molten salt synthesis and characterization of polytitanate ceramic precursors with varied TiO2/K2O molar ratio. Journal of the American Ceramic Society. 2008; 91(9): 3058—3065. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02574.x

20. Miller J.R., Simon P. Materials science: electrochemical capacitors for energy management. Science. 2008; 321(5889): 651—652. https://doi.org/10.1126/science.1158736

21. Chen X., Paul R., Dai L. Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage. National Science Review. 2017; 4(3): 453—489. https://doi.org/10.1093/nsr/nwx009

22. Choi J.U., Voronina N., Sun Y.-K., Myung S.-T. Recent progress and perspective of advanced high-energy co-less Ni-rich cathodes for Li-ion batteries: Yesterday, today, and tomorrow. Advanced Energy Materials. 2020; 10(42): 2002027. https://doi.org/10.1002/aenm.202002027

23. Wen P., Gong P., Sun J., Wang J., Yang S. Design and synthesis of Ni-MOF/CNT composites and rGO/carbon nitride composites for an asymmetric supercapacitor with high energy and power density. Journal of Materials Chemistry A. 2015; 3(26): 13874. https://doi.org/10.1039/C5TA02461G

24. Xu J., Yang C., Xue Y., Wang C., Cao J., Chen Z. Facile synthesis of novel metal-organic nickel hydroxide nanorods for high performance supercapacitor. Electrochimica Acta. 2016; 211: 595—602.

25. Wu J., Wei F., Sui Y., Qi J., Zhang X. Interconnected NiS-nanosheets@ porous carbon derived from Zeolitic-imidazolate frameworks (ZIFs) as electrode materials for high-performance hybrid supercapacitors. International Journal of Hydrogen Energy. 2020; 45(38): 19237—19245.

26. Ji F., Jiang D., Chen X., Pan X., Kuang L., Zhang Y., Alameh K., Ding B. Simple in-situ growth of layered Ni3S2 thin film electrode for the development of high-performance supercapacitors. Applied Surface Science. 2017; 399: 432—439. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.12.106

27. Javed M.S., Aslam M.K., Asim S., Batool S., Idrees M., Hussain Sh., Shah S.Sh.Ah., Saleem M., Mai W., Hu Ch. High-performance flexible hybrid-supercapacitor enabled by pairing binder-free ultrathin Ni-Co-O nanosheets and metal-organic framework derived N-doped carbon nanosheets. Electrochimica Acta. 2020; 349: 136384. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136384

28. Zheng L., Song J., Ye X., Wang Y., Shi X., Zheng H. Construction of self-supported hierarchical NiCo-S nanosheet arrays for supercapacitors with ultrahigh specific capacitance. Nanoscale. 2020; 12(25): 13811—13821. https://doi.org/10.1039/d0nr02976a

29. Слепцов В.В., Кукушкин Д.Ю., Куликов С.Н., Дителева А.О. Тонкопленочные нанотехнологии в создании источников энергоснабжения. Вестник машиностроения. 2021; (2): 65—67. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2021-2-65-67

30. Sleptsov V.V., Kozhitov L.V., Muratov D.G., Popkova A.V., Savkin A.V., Diteleva A.O., Kozlov A.P. Thin film vacuum technologies for a production of highly capacitive electrolytic capacitors. Journal of Physics Conference Series. 2019; 1313: 012051. Materials of 26th Inter. conf. on Vacuum Technique and Technology. 18—20 June 2019, St. Petersburg, Russian Federation. https://doi.org/0.1088/1742-6596/1313/1/012051

31. Гоффман В.Г., Слепцов В.В., Гороховский А.В., Горшков Н.В., Ковынева Н.Н., Севрюгин А.В., Викулова М.А., Байняшев А.М., Макарова А.Д., Зо Лвин Ч. Накопители энергии с бусофитовыми электродами, модифицированными титаном. Электрохимическая энергетика. 2020; 20(1): 20—32. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-20-32

32. Elinson V.M., Shchur P. Study of the surface of antimicrobial barrier layers based on fluorocarbon and carbon films. In: Astashynski V.M., Gusarov A.V., Cherenda N.N., eds. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. 2022; 4(26): 11—26. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2022043894

33. Sleptsov V., Diteleva A. Thin-film technology for creating flexible supercapacitor electrodes based on a carbon matrix. High Temperature Material Processes. 2020; 24(3): 167—171. https://doi.org/1010.1615/HighTempMatProc.2020035840