Смирнов К.С., Мещерякова Е.А., Антышев И.А., Ланская И.И.

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

РАЗРАБОТКА ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Развитие современной электронной техники стимулирует разработку компактных и эффективных источников питания, которые нашли применение и в различных отраслях, таких как медицина, приборостроение, бытовая техника и другие отрасли. Литиевые источники тока имеют большую популярность в современных устройствах, например, компьютеры и ноутбуки, сотовые телефоны, электронные часы, средства охранной сигнализации, детские игрушки, приборы ночного видения, беспилотные летательные аппараты и многое другое. В настоящее время большую популярность завоевали беспилотные летательные аппараты - коптеры, которые можно использовать для мониторинга загруженности дорог, переноса груза среднего веса, мониторинга леса, обследования линий электропередач. Наиболее перспективными на данный момент химическими источниками тока являются литиевые системы. Такие системы представляют интерес для энергоснабжения различных автономных объектов промышленности и энергетического комплекса, так как обладают высокими удельными энергетическими характеристиками. Серьезной проблемой литий- ионных аккумуляторов является падение их емкости как в процессе циклирования, так и после хранения. Это во многом связано с присутствием в их составе жидкого электролита, которому свойственна агрессивность к материалам аккумулятора и электрохимическая деструкция, приводящие к снижению удельных энергетических параметров и сохраняемости аккумулятора. Кроме того, литий - ионные аккумуляторы с жидким электролитом пожаровзрывоопасны. Применение твердополимерных электролитов вместо жидких позволяет создать аккумуляторы разнообразной конфигурации и габаритов, обладающими повышенной безопасностью, высокой сохраняемостью и механической прочностью [1,2].

В настоящее время активно разрабатываются катодные материалы на основе литий-металл фосфатов: фосфат железа, фосфат титана, фосфат марганца, двойные фосфаты марганца-железа, а также фосфаты ванадия. Наиболее привлекательным соединением этого класса является литий-железо фосфат (LiFeP04), который характеризуется высоким разрядным потенциалом (3.4 В) и относительно высокой теоретической емкостью 170 мА*ч/г. Одним из эффективных способов воздействия на структуру твердых тел является их механоактивация на аппаратуре высокого давления типа наковален Бриджмена. В процессе такой обработки твердые вещества подвергаются совместному воздействию давления в диапазоне 1-5 ГПа и сдвиговых деформаций. При пластическом деформировании многокомпонентных гетерогенных смесей на аппаратуре типа наковален Бриджмена происходит интенсивное уменьшение размеров гетерогенных образований, составляющих исходные смеси [3].

Применение механоактивации в процессе изготовления катодов литиевых источников тока приводит к существенному улучшению их электрохимических характеристик, в связи с этим представляет интерес исследовать свойства электродов на основе LiFeP0₄ , активная масса которых прошла механоактивацию на аппаратуре высокого давления. Твердофазные катоды готовили по оригинальной методике [4]. Порошок литий-железо фосфата перемешивали с электропроводной добавкой в соотношении 85:10 и пропитывали 5(масс.) % раствором твердополимерного электролита в диметилацетамиде. Затем полученную смесь предварительно обрабатывали ультразвуком на установке УЗ-1 и высушивали при температуре 100 ⁰С в течение часа в вакуумном сушильном шкафу. Полученную массу размалывали на шаровой мельнице и наносили на поверхность токоотвода двумя способами. Первый, традиционный способ (ТС), заключается в напрессовке катодной массы на реакторную поверхность подложки электрода давлением 15 МПа. Второй способ позволяет вводить в процесс производства электродов дополнительную стадию воздействия на катодную массу: механоактивацию на аппаратуре высокого давления (МА). Катоды, приготовленные описанными выше методами, не содержали жидких компонентов и представляли собой твердофазную систему, связующие и электропроводные функции в них выполнял твердополимерный электролит, состоящий из соли лития, растворенной в структуре полисульфона. Полученные результаты наглядно показывают, что использование МА дает существенные преимущества как по разрядному потенциалу так и по удельной емкости электрода. Выигрыш достигает порядка 15-20 %. Преимущество достигается благодаря лучшей гомогенизации и компактированию активной массы электрода.

Экспериментальные данные легли в основу разработки аккумулятора на основе электрохимической системы литий/литий фосфат железа для беспилотного летательного аппарата (квадрокоптера). Габариты данного аккумулятора 100Х55Х25 мм при весе 132,24 г. Емкость составляет 4,48 А*ч, напряжение 3,8 В. Он состоит из 30 элементов соединенных параллельно.

Литература.

1. Смирнов К.С., Егоров А.М., Смирнов С.С. Перспективные катодные материалы литиевых источников тока // Современный научный вестник. 2015. Т.4. № 1.С.38-41. . 2. Смирнов С.Е., Егоров А.М., Смирнов К.С., Фатеев С.А. Литиевые источники тока на основе наноматериалов // Научный альманах. 2017. № 2-3(28). С. 127-130. 3.Пуцылов И.А.,Воробьев И.С.,Шишов Д.В.,Смирнов С.Е.
Разработка и исследование перспективных материалов для литиевых элементов и аккумуляторов // Современный научный вестник. 2015. Т. 5. № 2. С. 90-94. 4.Смирнов К.С., Егоров А.М., Смирнов С.С., Негородов М.В. Метод изготовления катода литиевого источника тока // Научный альманах. 2016. № 1-1 (15).С. 504-507. . 4.