Современные тенденции развития вооружения и военной техники (ВВТ) выдвигают новые требования по интеллектуализации вооружения; созданию беспилотных разведывательных комплексов, высокоточного оружия, комплектов экипировки бойца XXI в., позволяющей резко повысить выживаемость в условиях ведения боевых действий; развитию активных военно-космических группировок и специальных средств ВМФ. Как отметил В. В. Путин на совещании по определению Военной доктрины и утверждению «Государственной программы вооружения до 2015 года», основной задачей является создание единой мобильной группировки войск страны, оснащенной вооружением нового поколения.
В настоящее время многие средства ВВТ базируются на принципах автономного электропитания. Среди источников прямого преобразования видов энергии в электрическую химические источники тока (ХИТ) занимают доминирующее положение. Как правило, ХИТ являются самостоятельным структурным элементом любого мобильного объекта и занимают примерно 5—20 % его объема.
Развитие номенклатуры ХИТ определялось многообразием объектов ВВТ, использующих автономное электропитание. В настоящее время перечень ХИТ, разрешенных для применения в военной технике, насчитывает более 1500 типов 20 основных электрохимических систем.
Создание вооружения нового поколения возможно при использовании ХИТ с удельной энергией до 600 Вт ⋅ ч/кг, сроком службы не менее 10 лет, сроком хранения до 20 лет, диапазоном рабочих температур от –60 до +70 °С.
Для реализации этих задач необходимо освоение новых электрохимических систем (с литиевыми анодами, натрий-серных, металловодородных, полимерных), а также совершенствование традиционных ХИТ (свинцово-кислотных, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных) при создании унифицированных рядов и серий аккумуляторов и батарей.

Масштабы производства и применения ХИТ, а также анализ состава используемых в них материалов определяют в числе приоритетных проблему утилизации этих изделий после выработки ресурса или окончания сроков хранения. Необходимость утилизации источников тока обусловлена наличием ряда факторов:
  • экологических: в производстве ХИТ используются вредные вещества, относимые по международной классификации к первому классу опасности (свинец, кадмий, ртуть, литий и т. д.);
  • экономических: возврат используемых в производстве ХИТ материалов в виде вторичных продуктов позволит окупить затраты на организацию и проведение их утилизации.
Анализ существующей практики и результатов утилизации ХИТ различных электрохимических систем выявил удручающую картину полного отсутствия в стране какой-либо системы сбора и утилизации выработавших ресурс ХИТ (за исключением, частично, свинцовых аккумуляторов). Так, попытки утилизации свинцово-кислотных батарей своими силами при отсутствии комплексной технологии переработки привели к тому, что на Северном флоте скопилось более 4 тыс. т вредных солей и оксидов свинца, что является результатом «переработки» более 10 тыс. т списанных аккумуляторных батарей. Попытки утилизации никель-кадмиевых аккумуляторов сводятся к простой их разборке с целью извлечения положительных никелевых электродов. При этом отрицательные электроды, содержащие соединения кадмия, выбрасывают, закапывают или хранят на открытом воздухе, хотя во всем мире такие действия расцениваются как серьезные экологические преступления. Что касается литиевых ХИТ, то они в настоящее время не утилизируются.
Сегодня мировая тенденция определяет порядок обеспечения экологической безопасности, при котором невозможно начало производства ХИТ без решения вопросов последующей утилизации этих изделий. Анализ мирового опыта промышленного освоения ХИТ показывает, что вопросы утилизации целесообразно решать уже на стадии разработки изделий. Это дает возможность принимать конструктивные и технологические решения, позволяющие наиболее эффективно перерабатывать изделия после завершения их жизненного цикла.
Таким образом, перспектива накопления выработавших свой ресурс ХИТ требует кардинального решения поставленной проблемы. При этом сдерживающим фактором является отсутствие технологий утилизации ХИТ некоторых электрохимических систем, главным образом литиевых. В целом проблемы утилизации многогранны, однако в Российской Федерации целесообразно начинать наводить порядок в первую очередь с утилизации ХИТ с литиевыми анодами.
В настоящее время химические источники тока с литиевым анодом (ЛХИТ) являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области прямого преобразования энергии химических реакций в электрическую. Все промышленные страны освоили производство ЛХИТ в крупных масштабах, и такие источники тока уверенно теснят на рынке традиционные ХИТ ртутно-цинковой, марганец-цинковой, серебряно-цинковой, никель-кадмиевой и других систем, потенциально не способных обеспечить постоянно возрастающие требования к автономным источникам электрической энергии.
По сравнению с традиционными системами ЛХИТ обладают рядом преимуществ.
  • Высокая плотность энергии — до 650 Вт × ч/кг и 1100 Вт ⋅ ч/дм3.
    Более высокая по сравнению с другими источниками тока удельная энергия литиевых элементов в значительной степени связана с повышенным рабочим напряжением большинства электрохимических пар на основе лития. У лития самый высокий потенциал среди металлов в ряду напряжений, что дает возможность получить рабочее напряжение, превышающее примерно вдвое напряжение традиционных систем.
  • Работоспособность при низких температурах.
    Вследствие неводной природы электролитов, используемых в литиевых системах, электропроводность таких систем при низких температурах существенно выше, чем электропроводность традиционных источников тока.
  • Большой срок сохраняемости.
    Еще одним существенным преимуществом систем на основе лития является их способность к длительному хранению в состоянии готовности к работе. Герметизация элементов, возможная благодаря использованию систем, не выделяющих газы в процессе разряда, защищает элементы от проникновения загрязнений из окружающей среды и предотвращает утечку электролита из элементов. Эти особенности в сочетании с отсутствием реакций саморазряда или очень малыми их скоростями делают возможным сохранение первичных батарей литиевых систем в состоянии готовности к работе в течение 5—10 лет без необходимости создания специальных условий хранения.
Кроме того, в большинстве литиевых систем вещества, образующиеся в результате реакции саморазряда, в дальнейшем не участвуют в этой реакции и не увеличивают ее скорость. Следовательно, литиевые элементы могут надежно работать в течение нескольких лет в режиме прерывистого разряда в тех устройствах, где такой режим более выгоден или необходим по условиям эксплуатации.
По некоторым оценкам, производство ЛХИТ к 2015 г. составит более 40 % от общего количества ХИТ. Этот вывод косвенно подтверждается изменением структуры потребления лития и литиевых соединений в последние годы.
Широкомасштабное применение ЛХИТ в войсках сдерживается, в том числе, из-за нерешенности вопросов их утилизации. Накопление выработавших ресурс ЛХИТ на складах создает повышенный уровень пожаро- и взрывоопасности, увеличивает вероятность экологического заражения компонентами ЛХИТ. Особенностью ЛХИТ является то обстоятельство, что из-за высокой химической активности лития (литий полностью реагирует с водой с образованием гидроксида LiOH) заложенные в них энергетические возможности удалось реализовать только с использованием неводных, так называемых апротонных, диполярных электролитов.
Растворители электролитов ЛХИТ созданы на основе органических (диметоксиэтан — ДМЭ, пропиленкарбонат — ПК, тетрагид-рофуран — ТГФ, γ-бутиролактон — БЛ и др.) и неорганических (тионилхлорид SOCI2, диоксид серы SO2) соединений. Для органических и неорганических неводных растворителей характерно, что простые соли лития, например галогениды, в них обычно нерастворимы. Поэтому для изготовления электролита приходится использовать сложные комплексные соли лития, которые растворяются лучше. К таким солям относятся перхлорат лития LiCIO4, тетрахлоралюминат лития LiAICI4, тетрафторборат лития LiBF4, гексафторфосфат лития LiPF6, гексафторарсенат лития LiAsF6 и некоторые другие. В качестве материала катода в ЛХИТ используют твердые (диоксид марганца MnO2, сульфид железа FeS, сульфид меди CuS, оксид ванадия V2O, хромат серебра Ag2CrO4) и жидкие (тионилхлорид SOCI2, диоксид серы SO2) соединения.
Как уже отмечалось выше, ЛХИТ сегодня применяются все чаще, и проблема утилизации этих источников тока становится все более важной, так как она обусловлена наличием ряда факторов.
ЛХИТ — это высокоэнергетические системы: большая объемная плотность энергии делает их при вскрытии более опасными, чем источники традиционных систем. Применяемый в качестве анода литий — высокоактивный легкоплавкий металл, способный гореть в атмосфере влажного воздуха. Кроме того, его активность в расплавленном состоянии возрастает. При горении лития температура может повышаться до 1300 °С.
Используемые высокоактивные электродные и конструкционные материалы представляют собой сильные окислительные многокомпонентные системы, способные бурно взаимодействовать между собой. В качестве сепарационного материала используют нетканый полипропилен — горючий материал с температурой плавления 147 °С. Электролиты на основе органических растворителей легковоспламенимы. При нагревании электролита выше 290 °С происходит его самовоспламенение; некоторые материалы, используемые в батареях и элементах, кроме их пожаро- и взрывоопасности, обладают еще и токсичными свойствами. В результате их горения образуются соединения в виде газов и аэрозолей, которые также токсичны.
В ЛХИТ применяют дефицитные и дорогостоящие материалы, в первую очередь литий. Так, при относительной стагнации общемирового спроса и, соответственно, цен на большинство цветных и редких металлов в последние годы наметилось устойчивое повышение спроса на литий и его соединения, составляющее за последнее десятилетие 9,4 %. Это подтверждают данные по изменению стоимости лития на мировом рынке.
Принимая во внимание значительные успехи МИСиС в области разработок технологий получения вторичных цветных и редких металлов, в ноябре 2001 г. на базе МИСиС совместно с 22 ЦНИИИ Минобороны России создан Межотраслевой учебно-научный центр по утилизации ХИТ (МУНЦУХИТ).