Рост спроса на нефть, спровоцировавший повышение цен на продукцию нефтепереработки, и экологические проблемы продолжают оказывать давление на перегруженную энергетическую инфраструктуру мира. Один из вариантов источника энергии является электрохимическое производство энергии, этот видэнергии разработан как более устойчивый и более экологически безопасный. Литий-ионная батарея предназначена для такого электрохимического аккумулирования и преобразования энергии. В настоящее время литий-ионные батареи являются эффективными, легкими и перезаряжаемыми источниками питания для бытовой электроники, такой как портативные компьютеры, цифровые камеры и сотовые телефоны. Кроме того, они интенсивно внедряются для использования в качестве источников питания электрических транспортных средств (EVS) и гибридных электрических транспортных средств (ВЗУ). Высокая энергия и высокая удельная мощность, необходимы для таких устройств. Литий-ионные аккумуляторы являются устройствами накопления энергии, имеющие высокую энергетическую плотность.

Литий является самым легким металлом, в то же время он обладает и сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением и значительной емкостью.

Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н.Льюисом (G. N. Lewis) в 1912 году. Однако, только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними.

В результате исследований, проведенных в 80-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом, на поверхности лития формируются дендриты. Прорастание дендрита до положительного электрода и возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока является причиной выхода элемента из строя. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв. Так, большое количество литиевых аккумуляторов поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек. Революцию в развитии перезаряжаемых литиевых источников тока произвели сообщения о том, что в Японии были разработаны аккумуляторы с отрицательным электродом из углеродных материалов. В попытке создать безопасный источник тока на основе лития, исследования привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Углерод оказался очень удобной матрицей для интеркаляции лития. Удельный объем многих графитизированных материалов при внедрении достаточно большого количества лития изменяется не более чем на 10%. Потенциал углеродных электродов, содержащих не слишком большое количество интеркалированного лития, может быть положительнее потенциала литиевого электрода на 0,5-0,8 В. Чтобы напряжение аккумулятора достаточно высоким, японские исследователи применили в качестве активного материала положительного электрода оксиды кобальта. Потенциал литированного оксида кобальта относительно литиевого электрода составляет около 4 В, характерное значение рабочего напряжения – 3 В. При  разряде аккумулятора происходит деинтеркаляция лития из углеродного материала (на отрицательном электроде) и интеркаляция лития в оксид (на положительном электроде). При заряде процессы идут в обратном направлении. Таким образом, процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой (рис 1). Такие аккумуляторы стали называться литий – ионными, аккумуляторами типа кресла – качалки.

 Рис. 1. Принципиальная схема работы литий-ионного аккумулятора

После сообщений о разработке литий – ионных аккумуляторов начались интенсивные исследования интеркаляции лития в углеродные материалы, а затем и в материалы, обычно используемые для положительного электрода. К настоящему времени опубликовано несколько тысяч работ на эту тему. В 1991 году реорганизованной фирме «Moli Energy Ltd» были созданы образцы литий – ионных аккумуляторов дисковой (монетной конструкции). Элементы типоразмера 1225 при токе разряда 1 мА и токе заряда 0,5 мА имели емкость около 7 мА и ресурс 300 зарядно – разрядных циклов. В Японии лидерство по производству литий – ионных аккумуляторов прочно удерживает фирмы « Sony», «Sanyo», которые выпускают не только миниатюрные дисковые, но и цилиндрические аккумуляторы спиральной конструкции, а также призматические аккумуляторы. По материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (фирма Sony) и на основе графита (большинство других изготовителей). Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда, по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом .

Поэтому, в целях получения максимально возможной емкости, конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым отрицательным электродом обычно устанавливают ниже (до 2.5 V), по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом (до 3.0 V). Кроме того, аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с коксовым отрицательным электродом.

Напряжение окончания разряда 3.0 V для аккумуляторов с графитовым отрицательным электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств.

Однако, их плотность энергии относительно низкая из-за большой поляризации при высоких зарядно-разгрузочных скоростях. Эта поляризация обусловлена медленной диффузией лития в активное вещество и увеличением сопротивления электролита при увеличении зарядно-разгрузочной скорости. Для решения этой проблемы, важно спроектировать и изготовить наноструктурированные электродные материалы, что обеспечит большую площадь поверхности и короткие пути диффузии для ионного транспорта и электронной проводимости.

На рис.2 приведена сравнительная оценка существующих анодных и катодных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов.

Рис. 2. Сравнительная оценка существующих анодных и катодных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов

            

Рис. 3. Классификация катодных материалов

Рис. 4. Схема работы катода

Согласно существующим литературным и патентным данным, наноструктурированные объекты, при условии наличия у них особой кристаллической структуры, обуславливающей смешанную электронно-ионную проводимость, возможности интеркаляции-деинтеркаляции и высокой подвижности ионов во внутренних полостях структуры (межслоевое пространство, туннели и пр.), могут быть использованы для создания электродных и мембранных материалов нового поколения в силу уникального сочетания выдающихся механических свойств, высокой дисперсности (большой площади поверхности) и смешанной проводимости. Действительно, циклы «интеркаляция — деинтеркаляция» при функционировании мембраны или электродного материала сопровождаются существенным изменением параметров решетки и, как правило, образованием микротрещин, деламинированием зерен суперионных проводников. Поэтому при создании эффективных электродных материалов нового поколения необходимо выполнение жестких микроструктурных требований, к которым относятся высокие прочностные характеристики в сочетании с большой удельной поверхностью электрода, что обеспечивает циклируемость (живучесть) электрода и эффективность его работы. Очевидно, к потенциальным достоинствам таких электродов относятся также возможность легкого придания желаемой формы и дешевизна. Необходимым условием является электрохимическая эффективность подобного материала, в частности, характер потенциалообразующей реакции и емкость. Эти характеристики в основном определяются кристаллографическими и химическими особенностями используемых фаз. В целом, совокупности указанных требований удовлетворяют структуры с малым количеством дефектов, такие как нанокомпозиты, состоящие из элементов, легко изменяющих свою степень окисления. Наноматериалы имеют необычные механические, электрические и оптические свойства. Общее поведение наноматериалов представляет комбинации объемных и поверхностных свойств. Ежедневно появляются отчеты по новым свойствам и применению наноматериалов. Ясно, что наноструктурированные электроды позволят увеличить энергетические мощности хранения и зарядно-разрядной кинетики, а также улучшение циклической устойчивости из-за их огромной площади поверхности, и небольшого расстояния для диффузии массы и заряда, а также увеличения свободы для объемного изменения в процессе литий-ионной интеркаляции/деинтеркаляции.

На повестке дня уже весьма актуальным является применение новых разработок, созданных для солнечной энергетики, в традиционных энергетических отраслях. Накопители на базе литий-ионных полимерных аккумуляторов  и инверторы вкупе с технологией Smart Grid могут быть объединены в систему Сетевого Накопления Энергии (СНЭ) и уже вполне конкурентноспособны на рынке не только Европы и США, но и России.

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ВОЗМОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ В КАЧЕСТВЕ:

-Использование на газотурбинных и дизель-генераторныхэлектростанциях в качестве накопителей энергии.

-Накопители энергии, вырабатываемой альтернативными источниками энергии (ветроэлектростанциями, солнечными батареями, приливными и волновыми электростанциями)

-Накопители энергии для ЖКХ

-Аварийное мобильное хранилище энергии

-Стационарные системы для сглаживания пиков нагрузки в энергосистемах и регулирования частоты напряжения электростанций и электросетей.

-Резервные источники бесперебойного питания для особо важных объектов (больницы, маяки, семафоры, стрелки, ж/д переезды)

ПРЕИМУЩЕСТВА ЛИТИЙ-ИОННОГО НАКОПЛЕНИЯ:

  -Высокая мощность отдачи,

  -Длительный циклический ресурс,

  -Низкий саморазряд,

  -Устойчивая работа в условиях низких температур,

  -Адаптируемость к широкому спектру примененийЮ

  -Низкая расчетная стоимость на протяжении полного срока эксплуатации,

  -Минимальные требования к техобслуживанию,

— Позволяет отложить капиталовложения строительства новых генерирующих мощностей и ЛЭП,

— Снижает затраты по эксплуатации сети,

Позволяет избежать потерь производительности за счет устранения перебоев с подачей энергии,

— Выравнивает экономическую активность между центральными и географически удаленными регионами

— Предохраняет от непозволительных энергетических кризисов на стратегических объектах

ЦЕЛЕВЫЕ ВИДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В РОССИЙСКОЙ НАЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ.

— Мгновенная подача электроэнергии на стратегические объекты в аварийных ситуациях,

— Ограничение пиковых нагрузок и, следовательно, снижение потребности в установке дополнительных генерирующих мощностей и ЛЭП,

— Оперативное регулирование частоты /улучшение качества электроэнергии,

— Транспортабельные высокомощные трейлеры для передвижного удаленного потребления энергии,

— Возможность обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии для населенных пунктов удаленных труднодоступных регионов.