CC BY
37Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 629.78.001.5
КОМБИНИРОВАНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ С ЛИТИЙ-ИОННЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ
НА ОСНОВЕ ШПИНЕЛИ Li4Ti5O12
К. Н. Виноградов1, И. Я. Шестаков1, А. А. Фадеев1, Ц. Г. Надараиа2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2ООО «Конструирование, внедрение образцов новой техники» Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 75 E-mail: [email protected]
Предлагается использование литий-ионных аккумуляторов с анодом Li4Ti5O12 для комбинированного накопителя энергии в составе перспективных космических аппаратов.
Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, накопитель энергии, перспективный космический аппарат.
THE COMBINED ENERGY STORAGE DEVICE WITH LITHIUM-ION BATTERIES
BASED ON SPINEL Li4Ti5O12
K. N. Vinogradov1, I. Ja. Shestakov1, A. A. Fadeev1, C. G. Nadaraia2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2LLC "Design, implementation of new eqipment" 75, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The authors propose the use of lithium-ion batteries with anode Li4Ti5O12 for the combined energy storage device as a part of perspective space vehicles.
Keywords: rechargeable lithium-ion battery, energy storage device, perspective space vehicle.
В наши дни космические аппараты (КА) широко применяются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также освоения и изучения дальнего космоса.
Одно из главных условий, предъявляемых к современным КА, - снижение массы служебных систем. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата в целом. Выход из строя системы электроснабжения влечет за собой выход из строя всего спутника [1]. Производство высоконадежных и конкурентоспособных на мировом рынке спутников различного назначения требует использования перспективных типов аккумуляторов, отвечающих всем требованиям систем электроснабжения КА и средств для их технической подготовки к запуску. Поэтому проблемы энерговооруженности космических аппаратов, особенно разработки новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение.
Аккумуляторы системы электропитания (СЭП) КА должны обладать высокой плотностью энергии, способностью работать на больших токах заряда и разряда, иметь максимальную циклируемость и эффективность заряда/ разряда, низкий саморазряд. У современных серийных литий-ионных источников тока максимальное количество циклов заряд/ разряд достигает 1 000-1 500 [2]. Однако для СЭП КА требуется больший циклический ресурс аккумуляторов.
Циклический ресурс литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) ограничивается деградацией отрицательного электрода, который изготавливается из углеродсо-держащих материалов. Во время чередования циклов заряда/ разряда, при которых происходит интеркаля-ция/ деинтеркаляция ионов лития, слоистая структура углеродных материалов значительно деформируется. Этот процесс является причиной постепенного разрушения материала анода. Заменой углеродным материалам могут служить вещества, обладающие жёсткой, не деформирующейся при заряде и разряде структурой [3].
В работе [4] приведены результаты исследований физико-химических свойств электродных материалов, синтезированных на основе шпинели ЫДЧ5О12 (тита-нат лития) для создания анодов ЛИА. У таких анодов отсутствует деформация кристаллической решетки в процессах интеркаляции и деинтеркаляции ионов Ы +. Изготовлены и испытаны опытные образцы литий-ионных аккумуляторов, использующие систему ПДЧ5О12 (анод) - Ь^еРО4 (катод) [4]. Испытания полученных образцов электродных материалов показали, что по ряду своих качеств они превосходят существующие в настоящее время на рынке химических источников тока аналоги известных ведущих производителей.
ЛИА на основе системы ПДЧ5О12 - ПРеРО4 серийно выпускаются компаниями «Акатапо» под
Ракетно-космические двигатели, энергетические установки летательными космических аппаратов
маркой Nanosafe и «Toshiba» под маркой Super Charge Ion Battery (SCiB). В данных аккумуляторах используется электролит - LiMn2Ü4 [5].
Повысить энерговооружённость космических аппаратов возможно путём использования комбинированного накопителя энергии [6-8], позволяющего компенсировать пиковое потребление в нештатных режимах работы КА и поддержать необходимое электропитание бортовой аппаратуры совместно с системой электропитания спутника. Для использования ЛИА на основе системы Li4Ti5Oi2 - LiFePO4 необходимо выполнить расчет частоты вращения накопителя энергии, при которой начинается поляризация неводного электролита аккумуляторов, и исследовать их поведение в поле центробежных сил.
Библиографические ссылки
1. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 2003. 272 с. : ил.
2. Химические источники тока : справочник / под ред. Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М. : МЭИ. 2003. 740 с.
3. Скундин А. М., Ефимов О. Н., Ярмоленко О. В. Современное состояние и перспективы развития исследований литиевых аккумуляторов // Успехи химии. 2002. № 71(4). С. 378-398.
4. Сибиряков Р. В. Электрохимическое поведение и структура титаната лития, синтезированного различными способами : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.17.03. СПб., 2012. 24 с.
5. URL: http://www.elcust.ru (дата обращения: 31.08.2015).
6. Надараиа Ц. Г., Бабкина Л. А., Шестаков И. Я., Фадеев А. А. Химико-кинетический накопитель энергии // Вестник СибГАУ. 2014. № 2(54). С. 56-61.
7. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Strekaleva T. V. The use of chemical-kinetic energy storage for maintenance of peak loadings of the space vehicle // Молодежь. Общество. Современная наука, техника и инновации : материалы XIII Междунар. науч. конф.
бакалавров, магистрантов и аспирантов (15 мая 2014, г. Красноярск) / под общ. ред. И. В. Ковалева, М. В. Савельевой, Н. А. Шумаковой ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 227-229.
8. Виноградов К. Н., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г. Особенности работы химико-кинетического накопителя энергии // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева (11-14 нояб. 2014, г. Красноярск) : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 125-126.
References
1. Guschin V. N. Osnovi ustroistva kosmicheskih apparatov. M., Maschinostroenie, 2003.
2. Korovin N. V., Skundin A. M. Khimicheskiye istochniki toka : spravochnik. Moscow, MEI, 2003.
3. Skundin A. M., Efimov O. N., Yarmolenko O. V. Sovremennoe sostoyanie i perspektivi razvitiya issledovanii litievich akkumulyatorov. Uspechi khimii, 2002.
4. Sibiryakov R. V. Elektrokhimicheskoye povedenie i struktura titanata litiya. Avtoreferat dissertatsii, SPb, 2012.
5. URL: http://www.elcust.ru.
6. Nadaraia Ts. G., Babkina L. A., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A. Vestnik SibGAU. 2014, no. 2(54), pp. 5661.
7. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Strekaleva T.
V. Materialy XIII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii bakalavrov, magistrantov, aspirantov. Krasnoyarsk, 2014. р^. 227-229.
8. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A., Nadaraia Ts. G. Materialy XVIII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii Reschetnevskie chteniya. Krasnoyarsk, 2014, P. 1, рp. 125-126.
© Виноградов К. Н., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г., 2015
УДК 629.7.063.2
РАЗРАБОТКА В АО «ИСС» ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ КА
Ю. М. Ермошкин, Ю. Н. Житник, А. П. Ладыгин
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-таП: [email protected]
Рассмотрены результаты разработки пневмоарматуры нового поколения, блоков хранения и подачи ксенона с улучшенными характеристиками для электрореактивных двигательных подсистем КА.
Ключевые слова: космический аппарат, блок подачи ксенона, блок хранения ксенона, бак, рабочее тело, баковый коэффициент.
