Биоэлектрон. аккумулятор

Проект
БИЭЛЕКТРОННЫЙ АККУМУЛЯТОР
Нанотехнологии для получения долговечных сверхкомпактных
электрических аккумуляторов
Предлагается новая технология создания аккумуляторов электрической
энергии на основе конденсатора из наноструктурированного диэлектрика, с
удельной емкостью 1.6 МДж/кг и неограниченным количеством циклов
перезарядки – биэлектронный аккумулятор. Диапазон рабочих температур: 700С  +3000С, при сроке непрерывной работы – не менее 30 тыс. часов.
1. Проблемы мобильных источников электрической энергии
Аккумуляторы являются химическими источниками электрической
энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов
(положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление
энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции
окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят
обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов
между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.
Аккумуляторы были изобретены в середине 19 века. До настоящего
времени они продолжают технологически совершенствоваться. Но, в отличие от
электронной техники, в производстве аккумуляторов так и не произошло
качественного скачка, подобного скачку от вакуумных ламп к транзисторам и
интегральным схемам.
Аккумуляторы бывают разные как по своему конструктивному
исполнению, так и по типу используемых физико-химических процессов.
Наибольшее распространение получили герметизированные свинцовокислотные (Sealed Lead Acid — SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer)
аккумуляторные батареи. В настоящее время обычные свинцовые
аккумуляторы имеют удельную емкость 0.08 МДж/кг, никелевые аккумуляторы
- 0.2 МДж/кг, натрий-серные аккумуляторы - 0.4-0.6 МДж/кг при рабочих
температурах более 500К и литий-полимерные аккумуляторы - 0.6-0.7 МДж/кг
при комнатной температуре. Наиболее продвинутые литиевые аккумуляторы
для мобильных телефонов разработала южнокорейская фирма Kokam
Engineering http://www.kokam.co.kr/english/product/battery01.html .
Современные аккумуляторы имеют ограниченное число циклов
перезарядки 200-1000, что ограничивает срок эксплуатации аккумуляторов 1.52 годами, экологически небезопасны, трудоемки в обслуживании.
Табл.1. Некоторые характеристики аккумуляторов
(«Batteries in a Portable World» by Isidor Buchmann http://www.terralab.ru/supply/7853/)
Характеристика/
тип химии
Внутреннее
NiCd
SLA
NiMH
Li-Ion
LiPolymer
Низкое
низкое
высокое
среднее
среднее
сопротивление
Число циклов «зарядразряд»/срок службы,
раз/лет
более 1500 200-500
500
5001000/1,5
года
100150/1,5
года
Время заряда, ч
менее 1,5
8-16
2-4
3-4
8-15
Токи нагрузки
Высокие
низкие
низкие
средние
средние
40-60
30
60-80
100
150-200
Месячный саморазряд,
процентов
20
5
30
10
10
Обслуживание с целью
поддержания емкости
ежемесячно
Плотность энергии,
Вт•час/кг
раз в 3-6 раз в 2-3
не
не
месяцев месяца требуется требуется
Стоимость одного цикла
«заряд-разряд» батарей
для мобильных
устройств (6-9 В), USD
0,04
0,1
0,14
0,2
0,6
Год выхода на рынок
1950
1970
1990
1991
2000
Аккумулятор электрической энергии является неотъемлемой частью
любой энергогенерирующей системы. Он осуществляет сглаживание пиковых
нагрузок. Без него невозможно создать постоянное энергоснабжение
помещений от солнечных фотоэлементов или создать электромобиль и
гибридный автомобиль и т.п. Причем, для автомобильного транспорта
аккумулятор должен иметь большую удельную емкость и большое количество
циклов перезарядки, а также иметь хорошие зарядно/разрядные динамические
характеристики.
Автомобильные аккумуляторы предназначены для обеспечения работы
системы зажигания в стартерном режиме и при запуске двигателя внутреннего
сгорания, а также служат источником питания аппаратуры, установленной на
транспортном средстве. Как правило, их срок службы составляет 2 года при
наработке 2500...3000 часов. Они предназначены для работы при температуре от
-35o до +60oС. Удельная энергия стартерных аккумуляторов составляет порядка
0.1 МДж/кг.
К сожалению, за последние 100 лет так и не была решена проблема
автомобильных аккумуляторов для электромобиля. Достигнутая в них
плотность электрической энергии, по крайней мере, в 10 раз ниже необходимой.
Кроме того, переход на электромобили потребует создания огромного
количества новых электростанций. Общие потери по всему циклу получения
электроэнергии и зарядки аккумуляторных батарей также приведет к общему
к.п.д. не более 30-35%. Поэтому широкомасштабный переход на электромобили
в настоящее время считается не перспективным в энергосберегающем плане.
Однако для крупных городов экологическая актуальность электромобиля
остается высокой. Так, к 2009 году в мире планируется выпустить уже 2.5 млн.
электромобилей и гибридных автомобилей (http://www.freedoniagroup.com/WorldElectric-Vehicles.html). Причем аккумуляторы будет составлять значительную часть
их цены,
к тому же аккумуляторы необходимо менять через 2 года
эксплуатации автомобиля.
Из-за отсутствия компактных дешевых долговечных аккумуляторов
автомобильные корпорации форсируют разработки экологичных автомобилей с
комбинированным двигателем, в том числе, на основе топливных элементов
(ТЭ).
Топливные элементы осуществляют прямое превращение химической
энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с
большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в
результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно
вырабатывает электроэнергию. Из-за высокой стоимости они, в основном,
используются в аэрокосмической технике.
В настоящее время большие усилия сосредоточены на исследования ТЭ
для коммерческого применения. В ТЭ электричество производиться при
непосредственном низкотемпературном окислении топлива на катализаторах
при невысоких температурах 300-500 К с к.п.д. до 80% (при окислении
газообразного водорода). Однако при использовании углеводородного топлива
в ТЭ их к.п.д. падает до 40-45%. Это связано с тем, что его необходимо
предварительно расщеплять на компоненты для получения водорода. Прямое
использование метана, спирта и т.п. еще больше понижает к.п.д. В результате
ТЭ теряют свои преимущества для использования в энергетике. Область их
применения ограничивается мобильными устройствами, где не требуется
высокий к.п.д. Кроме того, все ТЭ создают низкую удельную плотность тока,
что требует использование дополнительных аккумуляторов при пиковых
нагрузках.
Сразу несколько компаний, разрабатывающих топливные батареи для
мобильных электронных устройств, объявили о коммерциализации технологии
в ближайшем времени. Среди них - немецкая Smart Fuel Cell AG и японские
Casio, Toshiba и NEC. К.п.д. ТЭ в них не превышает 10-30%, а удельная энергия
составляет порядка 1 МДж/кг. Таким образом, ТЭ по своим параметрам в 10 раз
лучше никель кадмиевых аккумуляторов. Они не требуют долговременной
подзарядки от электросети, а только смены контейнера с жидким органическим
топливом. Но, из-за низкой удельной плотности тока, в комбинированных
автомобилях или в мобильных телефонах, они требуют использования
дополнительных буферных аккумуляторов. В результате, мы опять
возвращаемся к проблеме аккумуляторов.
Из вышеприведенного следует, что для всех химических источников
тока конкурировать с топливными элементами смогут только аккумуляторы
электрической энергии, имеющие удельную емкость не менее 1 МДж/кг,
неограниченное количество циклов перезарядки, с малым, почти мгновенным
временем подзарядки.
2. Альтернативный подход к созданию мобильных источников
электрической энергии
Мы отказались от стандартной схемы создания аккумуляторов на
электролитах, где носителями заряда являются тяжелые ионы, и перешли к
хранению электронных пар в конденсаторе из наноструктурированного
диэлектрика. Причем структуризация диэлектрика выполнена таким образом,
что электроны образуют пары, которые равномерно распределены по всему
объему диэлектрика. Это позволило в тысячи раз увеличить удельную плотность
запасаемой энергии по сравнению с керамическими и электролитическими
конденсаторами.
В результате может быть создана принципиально новая технология
создания аккумулятора на основе конденсатора из наноструктурированного
диэлектрика, с удельной емкостью 1.6 МДж/кг при обычных эксплуатационных
температурах, и практически бесконечным циклом заряда/разряда –
биэлектронный аккумулятор. Удельная емкость такого аккумулятора будет в 23 раза выше лучших полимерно-литиевых аккумуляторов, не превысит их по
себестоимости. Диапазон рабочих температур составит от -700С до 3000С. Срок
непрерывной работы составит порядка 10- 30 лет.
Кроме того, предлагаемые аккумуляторы смогут полностью заменить все
виды твердых химических источников тока (батарейки) одноразового действия
и сэкономить огромные ресурсы материалов.
2.1. Know-how, краткое описание
Мы провели теоретические и экспериментальные исследования по
созданию конденсаторов с максимально возможной запасаемой удельной
энергией, имеющим малые токи утечки и высокое быстродействие.
Известные диэлектрики имеют 1000 и низкую напряженность
электрического поля, что не позволяет получить высокую удельную плотность
энергии. Увеличить удельную энергию можно двумя путями: либо увеличивая
, либо, что более эффективно, увеличивая напряженность поля E. Однако
увеличение E приводит к необратимому пробою диэлектрика. Пробой в твердых
диэлектриках происходит за счет эмиссии электронов в диэлектрик с обкладок
конденсатора. Эмитированные в диэлектрик электроны под действием
ускоряющего электрического поля движутся от катода к аноду. На своем пути
они испытывают многократные соударения, что приводит к образованию
лавины электронов, т.е., к пробою. В результате ударной ионизации создаются
положительные ионы, остающиеся в следе лавины и образующие остаточный
заряд. Кроме того, при увеличении толщины диэлектриков возникает так
называемый объемный эффект, т.е., резко снижается пробивное напряжение
диэлектриков, что приводит к уменьшению накапливаемой удельной энергии.
Лавинный пробой приводит к деструкции материала диэлектрика и
образованию дефектного канала, который не восстанавливается. В результате
конденсатор выходит из строя.
В настоящее время существует много теорий механизма пробоя
диэлектриков. Но все они только приближенными способами решают
отдельные частные задачи.
В этом направлении исследований проводились работы по изучению
нового механизма накопления энергии во всем объеме твердых диэлектриков за
счет управления механизмом пробоя и восстановления рабочих параметров
материала диэлектрика. Для одновременного увеличения  и E исследовался
новый механизм движения электронов в диэлектриках и полупроводниках с
учетом пространственной структуры волны электрона, опубликованный в
заявке РСТ BY 99/00012
В результате наших исследований мы смогли определить новый класс
наноструктурированных материалов со сверхбольшой диэлектрической
проницаемостью =2106. Предварительные лабораторные исследования
показали хорошие результаты и реальную возможность создания аккумуляторов
с принципиально новыми потребительскими свойствами:
 Удельная емкость – 1.6 МДж/кг, что в 16-20 раз лучше свинцовых
аккумуляторов;
 Допускается глубокая разрядка в стартерном режиме;
 Неограниченное количество циклов перезарядки;
 Практически мгновенное время зарядки;
 Не требуют обслуживания при эксплуатации;
 Сроки службы и хранения в разряженном состоянии не ограничены.
 Экологически чисты в производстве, эксплуатации и утилизации;
Это позволит решить проблемы солнечной энергетики, гибридного
автомобиля и электромобиля, мобильной электроники.
3. Рынки аккумуляторов
Рынки аккумуляторов отличаются исключительным разнообразием
сегментов:
 мобильная электроника (мобильные телефоны, видеотехника и т.д.);
 замена всех видов твердых химических источников тока (батарейки)
одноразового действия;
 автомобильные аккумуляторы для транспорта всех видов;
 стационарные буферные аккумуляторы для солнечных, тепловых и
атомных электростанций;
Вплоть до 2007 г. спрос на одноразовые и перезаряжаемые источники
тока во всем мире будет возрастать на 6.4% ежегодно. Самые быстрые рынки
роста будут в Китае, Индии, Бразилии и Южной Корее, также спрос на них
будет ускоряться в США, Западной Европе и Японии. Не свинцово кислотные
перезаряжающиеся батареи опередят одноразовые источники тока и свинцовокислотные аккумуляторы. (http://www.freedoniagroup.com/World-Batteries.html)
Рынки мирового производства аккумуляторов оцениваются US$43
миллиарда. В мире существует более 30 основных производителей
аккумуляторов, включая Matsushita Electric Industrial, Exide, Duracell, Sanyo
Electric, Energizer Holdings, Toshiba, Johnson Controls, and VARTA.
Особую нишу занимают аккумуляторы для автомобилей с электрическим
приводом – гибридные и электромобили. Стоимость аккумуляторных батарей
составляет 10%-30% от полной стоимости самих автомобилей. Мировые
продажи автомобилей с электрическим приводом достигнут 2.5 миллионов
единиц к 2009, их рынок оценивается в US$45 миллиардов. Рост их
производства будет обусловлен проблемами сохранения окружающей среды,
льготами на их производство и высокими ценами на нефть. Гибридные
автомобили и автомобили на топливных элементах будут доминирующими
типами, с тенденцией уменьшения транспортных средств с питанием только от
аккумуляторов. (http://www.freedoniagroup.com/World-Electric-Vehicles.html).
В настоящее время рост этого рынка сдерживается отсутствием
аккумуляторов с необходимыми потребительскими свойствами.
Выпуском автомобилей с электроприводом заняты более чем 30 ведущих
промышленных компаний, включая DaimlerChrysler, Ford, General Motors,
Honda and Toyota.
Для увеличения эффективности использования возобновляемых
источников энергии и мини энергоустановок требуется применение
стационарных буферных накопительных аккумуляторов. Глобальный спрос на
мини энергоустановки (micropower) будет возрастать на 13% ежегодно вплоть
до 2007 года. Так как их использование уменьшает экологическую нагрузку на
окружающую среду. Наибольший рост производства микротурбин и топливных
элементов будет наблюдаться в Северной Америке. В Азии и Европе
наибольшее развитие получат солнечные фотоэлементы, ветряные
электрогенераторы и другие возобновляемые источники энергии. Их мировые
рынки достигнут US$16 миллиардов. (http://www.freedoniagroup.com/WorldMicropower.html) Как правило, стоимость аккумуляторов для солнечных и
ветровых электростанций соизмерима со стоимостью самой энергоустановки.
Производством мини энергоустановок занимаются 25 ключевых
компаний, включая Caterpillar, Cummins, NEG Micon, Vestas, BP Solarex,
Kyocera, ABB, Alstom, Mitsubishi Heavy Industries, and Siemens.
Подводя итоги, перспективные мировые рынки аккумуляторов в сумме
составят порядка US$60 млрд. к 2009 году (http://www.freedoniagroup.com/).
Высокая патентная защита технологий производства биэлектронных
аккумуляторов позволяет монополизировать рынки аккумуляторов на 15-20 лет.
Кроме того, серийное производство биэлектронных аккумуляторов
открывает путь к созданию высокоэффективных электромобилей, солнечных
электростанций и т.п.
4.Товарная продукция фирмы
Ограниченные лицензии на технологию производства биэлектронных
аккумуляторов для различных сегментов российского и европейского
рынков
аккумуляторов с заявленными параметрами.
Подбор и обучение персонала для покупателя лицензии.
Подготовка «зонтика» патентов по базовой заявке PCT BY 99/00012 и патенту
EA №003852 на технологии производства биэлектронных аккумулятора с целью
защиты прав покупателей лицензий и увеличения нематериальных активов
инжиниринговой фирмы.
5. Техническая реализуемость массового производства
биэлектронных аккумуляторов
Способы производства нанокластеров и нанотрубочек, являющихся базовыми
элементами биэлектронных аккумуляторов,
позволяют создавать для них
наноструктурированные материалы на основе существующих технологий.
В электротехнической промышленности широко используются диэлектрики с
нелинейной характеристикой, на основе которых создаются ограничители входных
напряжений - варисторы. Производство их хорошо отлажено. На базе этого
производства достаточно просто изготовить кластеры необходимого размера, при
которых проявляются резонансные свойства электронов, и материал приобретет новые
свойства – накопителя энергии.
Применительно к энергетике для буферного накопления большого количества
энергии
можно
использовать
более
простую
технологию
получения
наноструктурированных материалов на основе создания нанопористой пены. Для этого
необходимо доработать технологии создания углеродной пены или синтеза
нанопористых силикатных стекол.
Достаточно дешев также способ синтеза сферических пористых частиц по зольгель методу, что позволит сформировать наноструктурированный материал для
биэлектронного аккумулятора.
Используемые в технологии материалы известны и в достаточном количестве
производятся промышленностью, экологически чисты и относительно недороги.
6. Риски
В случае достижения параметров по удельной емкости биэлектронных
аккумуляторов
в
10
раз
хуже
декларируемой,
они
останутся
конкурентоспособными на рынках автомобильных аккумуляторов. Если в 3-5
раз – они остаются конкурентоспособными во всех сегментах рынка
аккумуляторов.
Руководитель проекта
Профессор А.М. Ильянок