Разработка и исследование нового высокоэнергоемкого источника тока для энергопитания беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Сегодня специалистам различных отраслей, становится очевидна эффективность использования БПЛА в решении многих военных и гражданских задач. Опыт СВО показывает невозможность ведения современных боевых действий без данных устройств, так как они по сути стали «глазами» и «ушами» специалистов, находящихся на земле. Важно понимать, что технология БПЛА также весьма полезна гражданской части общества. Использование БПЛА позволяет реализовывать многие задачи, для которых постоянно нужны люди, например, инспектирование объектов инфраструктуры, геологические исследования, агрокультурное наблюдение, доставку посылок в самые далекие части мира, это освобождает от подобной работы большое количество людей трудоспособного возраста, что дает стране рабочий ресурс для других более важных вопросов. Но у БПЛА есть ряд существенных проблем, главной из которых является сильно ограниченная дальность полета, а также вынужденная необходимость снижения функциональных возможностей, виляющих на автономность БПЛА. В связи с чем важнейшей задачей развития БПЛА стало создание высокоэффективных химических источников тока.

Среди существующих химических источников тока наибольшими энергетическими характеристиками и потенциалом для дальнейшего совершенствования обладают литиевые электрохимические системы. Данные системы изготавливаются как в первичном, так и во вторичном варианте. Ко вторичным относятся литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы с углеграфитовым отрицательным электродом и положительными электродами на основе различных литированных оксидных материалов среди которых выделяют оксид кобальта лития, оксид марганца лития и оксид никеля лития, а также их композиции. К основной проблеме вторичных литиевых источников тока относится невозможность использования металлического лития из-за дендритообразвания и инкапсуляции. В настоящее время во многих лабораториях мира проводятся попытки создания тонкопленочных, высокопрочных твердополимерных электролитов с высокой электропроводностью и адгезией к материалам электродов с целью создания твердофазных литиевых аккумуляторов с металлическим литием, однако существенные успехи в данном направлении пока только анонсируются.

Первичные литиевые источники тока лишены основных недостатков вторичных литиевых систем. На протяжении всего периода исследования и развития первичных литиевых источников тока было предложено огромное количество разнообразных веществ в качестве катодных материалов. Наиболее широкое коммерческое использование приобрели катоды, основанные на фторированном углероде (CF_x)_n, диоксиде марганца MnO₂, тионилхлориде SOCl₂, оксиде меди CuO, ванадате серебра Ag₂V₄O₁₁, сульфиде железа FeS₂ и йоде I₂. Стоит также отметить, что предпринимаются попытки использования в литиевых источниках тока органических электродных материалов, которые характеризуются экологической безопасностью получения и утилизации.

Фторуглерод является на сегодняшний момент перспективным материалом для катодов первичных элементов. Эту электрохимическую систему выгодно отличают несколько ее положительных свойств. К ним относятся, например, стабильное разрядное напряжение, сохраняемость готовых элементов до 20 лет при малой величине саморазряда на уровне 0,5 % в год. Стоит еще упомянуть об отсутствии газовыделения в процессе эксплуатации, а также, помимо безопасности при работе, данные элементы характеризуются высокой удельной емкостью. Фторуглеродные элементы имеют теоретическую удельную энергию, которая одна из самых высоких среди элементов с литиевым электродом и составляет 2190 Вт∙ч/кг. Использование фторированного углерода в химических источниках тока на основе апротонных электролитов позволило изготовить первичные элементы одноразового действия с весьма высокими значениями емкости и энергии значительно превышающих аналогичные параметры литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов.

Анализируя вышеизложенную информацию можно констатировать, что в настоящее время для энергопитания БПЛА используются вторичные литиевые источники тока, емкость которых значительно уступает емкости первичных элементов, что по мнению автора является не всегда верным и обоснованным решением. Очевидно, что в условиях боевого применения БПЛА, а также в условиях необходимости повышенной автономности БПЛА (расширения продолжительности полета и функционала) целесообразным является использование батареи первичных источников тока вместо вторичных. Такого рода замена приведет не только к значительному увеличению продолжительности работы БПЛА, но и удешевляет стоимость батареи химических источников тока, так как, во-первых, стоимость батареи первичных элементов значительно ниже стоимости батареи вторичных, из-за более низкой стоимости первичных источников тока. Во-вторых, батарея первичных элементов не нуждается в использовании дорогостоящей платы-BMS (battery management system).

Применение на практике достигнутых в работе результатов не представляет технических, эконмических или каких-либо иных сложностей. Предложенная методология оптимизации толщины положительных электродов может быть использована существующими отечественными производителями химических источников тока, любых типоразмеров, типов и конструкций. Подготовка для БПЛА альтернативных вариантов батарей на базе первичных литий-фторуглеродных источников тока также является легко реализуемой задачей.