Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических решений по созданию тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов на основе нанокомпозитов кремния и высших оксидов ванадия, обладающих повышенной удельной емкостью и скоростью зарядки

Номер контракта: 14.574.21.0099

Руководитель: Рудый Александр Степанович

Должность: директор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им.П.Г.Демидова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
тонкопленочный литий-ионный аккумулятор, зарядно-разрядные характеристики, функциональный нанокомпозитный материал, интегральная технология, литирование, интеркаляция лития, твердый электролит, магнетронное напыление.

Цель проекта:
1. Разработка технологических решений изготовления тонкопленочных электродов на основе наноструктурированных литированных оксидов для положительного электрода литий-ионного аккумулятора. 2. Разработка технологических решений изготовления тонкопленочных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов для отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора. 3. Разработка технологических решений изготовления литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы емкостью 0.5 – 1 Ач, с улучшенными показателями по удельной энергоемкости, скорости заряда-разряда, ресурсу, безопасности, стабильности разрядного напряжения и работоспособности при отрицательных температурах на основе новых отечественных материалов и комплектующих для применения в портативной аппаратуре.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов с удельной разрядной емкостью не менее 2000 мАч/г.
2. Экспериментальные образцы тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов.
3. Результаты экспериментальных исследований образцов тонкопленочных отрицательных электродов для литий-ионного аккумулятора.
4. Лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных положительных электродов на основе оксидов ванадия с удельной разрядной емкостью активного материала не менее 300 мАч/г.
5. Экспериментальные образцы тонкопленочных электродов на основе наноструктурированных литированных оксидов ванадия.
6. Результаты экспериментальных исследований образцов тонкопленочных электродов на основе наноструктурированных литированных оксидов ванадия для положительного электрода литий-ионного аккумулятора.
7. Лабораторный технологический регламент изготовления экспериментального образца тонкопленочного литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы SiOx-LP-71-VxOy емкостью не менее 0.5 – 1 А•ч.
8. Экспериментальные образцы тонкопленочного литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы SiOx-LP-71-VxOy емкостью 0.5 – 1 А•ч каждый.
9. Результаты испытаний экспериментальных образцов тонкопленочного литий-ионного аккумулятора.
10. Лабораторный технологический регламент напыления твердотельного электролита (ТЭ), способного работать при пониженных температурах (до -40 °С).
11. Макет тонкопленочного твердотельного литий-ионного аккумулятора электрохимической системы SiOx-ТЭ-VxOy.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечными продуктами, создаваемыми с использованием планируемых результатов проекта, являются:
• Лабораторный технологический регламент изготовления экспериментального образца тонкопленочного литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы SiOx-LP-71-VxOy емкостью не менее 0.5 – 1 А•ч.
• Изготовленные в соответствии с разработанным регламентом экспериментальные образцы тонкопленочного литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы SiOx-LP-71-VxOy емкостью 0.5 – 1 А•ч каждый.
• Лабораторный технологический регламент напыления твердотельного электролита (ТЭ), способного работать при пониженных температурах (до -40 °С).
• Макет тонкопленочного твердотельного литий-ионного аккумулятора электрохимической системы SiOx-ТЭ-VxOy, изготовленный с использованием лабораторного технологического регламента напыления твердотельного электролита.
2. В ходе выполнения проекта будут впервые разработаны технологические основы изготовления тонкопленочных и интегральных литий-ионных аккумуляторов. Научная новизна планируемых технологических решений подтверждается тем, что в настоящее время в периодике отсутствуют сведения о научно-технических результатах по аналогичным разработкам.
3. Компанией Front Edge Technology Inc. для смарт-карт разработаны тонкопленочные аккумуляторы NanoEnergy®, основанные на электрохимической системе Li/LiPON/LiCoO2. Структура аккумулятора и технология его изготовления компанией не раскрываются. Компанией Infinite Power Solutions Inc. разработан микроаккумулятор Thinergy. Из приведенных характеристик видно, что он превосходит NanoEnergy по удельной емкости приблизительно в пять раз, но при этом электрохимическая система Thinergy не приводится. Можно лишь предположить, что он изготовлен из высокоемких материалов, например, кремния или алюминия. Сообщения других ведущих производителей тонкопленочных ЛИА, таких как Cymbet Corp., Geomatec Co. Ltd., Excellatron, Solicore Inc., Oak Ridge Micro-Energy, Inc., и т.д., также не содержат сведений, раскрывающих электрохимические системы и технологии их новых разработок. Т.е. прямых указаний на готовые к производству разработки тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) на основе предлагаемой электрохимической системы в литературе не содержится.
В то же время хорошо известно, что задача стабилизации отрицательного электрода на основе кремния не решена и находится в стадии лабораторных исследований. Сообщения о разработке положительного электрода на основе оксидов ванадия очень скудны, а результаты далеки от стадии промышленного использования. Таким образом, работа по созданию интегрального ЛИА на основе заявленной электрохимической системы будет выполнена впервые, а задачи проекта являются новыми. Уровень технических решений по созданию электрода тонкопленочных ЛИА превосходит мировой уровень.
4. Основные ограничения состоят в отсутствии отечественных материалов, таких как титановая фольга, толщиной менее 10 мкм, мишени из литрованного пентоксида ванадия, электролиты и т.д. и росте курса доллара, затрудняющем их закупку за рубежом.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Областью применения планируемых результатов является аккумуляторная промышленность. Разработанные в ходе выполнения ПНИ технологические решения по созданию тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов на основе нанокомпозитов кремния и высших оксидов ванадия предназначены для отечественных разработчиков и производителей литий-ионных аккумуляторов.
Научно-технические результаты направлены на импортозамещение широкой номенклатуры аккумуляторной продукции.
Научно-технические результаты обеспечат высокую конкурентоспособность отечественной аккумуляторной продукции и конкурентные преимущества ее производителям.
2. Областью применения разрабатываемых ЛИА является портативная электроника бытового и специального назначения, в том числе: смарт-карты с дисплеем, сотовые телефоны, смартфоны, ноутбуки, планшеты, навигаторы, видео- и аудиоаппаратура, роботы, беспилотные летательные аппараты и т.д.
В качестве практического внедрения планируемых результатов Соглашением предусмотрен трансфер разрабатываемых тонкопленочных технологий. В настоящее время технология изготовления тонкопленочного отрицательного электрода для ЛИА передана Индустриальному партнеру – «Сафоновскому заводу «Гидрометприбор»». Технология внедрена на опытном участке по рулонному производству анодного материала.
3. Планируемые результаты позволят использовать в аккумуляторном производстве технологии интегральной электроники. Основными материалами электродов являются кремний и ванадий, которые относятся к традиционным материалам микроэлектроники и могут наноситься методами вакуумного магнетронного напыления в газовой среде контролируемого состава. Основным преимуществом предлагаемой технологии является ее совместимость с СБИС-технологиями. Эта технология позволяет интегрировать микроаккумуляторы в устройства интегральной электроники, что недоступно никакой другой аккумуляторной технологии.
Интегральная технология позволяет существенно снизить количество и трудоемкость операций при изготовлении ЛИА. На ее базе могут быть созданы новые аккумуляторные производства, работающие полностью по «сухой» технологии, не требующей электрохимического литирования одного из электродов, сборки аккумуляторов в защитной среде, корпусирования и т.д. Используемые в интегральной электронике методы утилизации отходов позволят обеспечить экологическую чистоту производства.
Научно-технические результаты служат основой для выполнения ОТР по созданию литий-ионных аккумуляторов на базе новой электрохимической системы с использованием отечественных материалов и комплектующих.
Научно-технические результаты ПНИ определяют направление дальнейших прикладных исследований, как разработку интегрального литий-ионного аккумулятора.
4. Планируемые результаты будут использованы для выполнения опытно-конструкторских разработок в рамках «International Joint Research Laboratory of Micro- and Nanoelectromechanical Systems» - совместной лаборатории ЯрГУ, ЯФ ФТИАН РАН и Шанхайского Транспортного университета (трехстороннее соглашение от 09.07.2015).

Текущие результаты проекта:
1. В 2015 году ходе выполнения 2-го и 3-го этапов ПНИ получены следующие научно-технические результаты:
1.1. Промежуточный отчет о ПНИ за 2-й этап.
1.2. Лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов с удельной разрядной емкостью не менее 2000 мАч/г.
1.3. Программа и методика экспериментальных исследований зарядно-разрядных характеристик и циклируемости катодов.
1.4. Методика экспресс-контроля электрофизических параметров тонкопленочных анодов.
1.5. Экспериментальные образцы тонкопленочных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов.
1.6. Программа и методика экспериментальных исследований зарядно-разрядных характеристик и циклируемости анодов.
1.7. Промежуточный отчет о ПНИ за 3-й этап.
1.8. Лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных положительных электродов на основе оксидов ванадия с удельной разрядной емкостью активного материала не менее 300 мАч/г.
1.9. Экспериментальные образцы тонкопленочных электродов на основе наноструктурированных литированных оксидов ванадия.
1.10. Программа и методика экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкопленочных электродов.
1.11. Методика экспресс-контроля электрофизических параметров тонкопленочных катодов.

2. Основные характеристики полученных результатов
2.1. Отчет о ПНИ за 2-й этап содержит:
а) Описание режимов напыления нанокомпозита SiOx-Al-C с различных мишеней при контролируемом парциальном давлении кислорода и двуокиси углерода.
б) Результаты исследования влияния параметров напыления на морфологию и фазовый состав нанокомпозита.
в) Результаты исследования зависимости зарядно-разрядных характеристик и циклируемости анодов от морфологии и фазового состава.
г) Описание лабораторного технологического регламента изготовления тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов с удельной разрядной емкостью не менее 2000 мАч/г.
д) Результаты изготовления экспериментальных образцов тонкопленочных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов.
е) Результаты экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкопленочных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов по разработанной программе и методике экспериментальных исследований.
ж) Описание используемых методов и методики экспресс-контроля электрофизических параметров тонкопленочных анодов.
з) Результаты экспериментальных исследований по магнетронному напылению пленок высших оксидов ванадия контролируемого фазового состава и толщины.
и) Результаты исследования зависимости зарядно-разрядных характеристик и циклируемости пленок высших оксидов ванадия от морфологии и фазового состава по разработанной программе и методике экспериментальных исследований.
2.2. Отчет о ПНИ за 3-й этап содержит:
а) Описание режимов напыления ванадия и лития с двух мишеней на металлическую фольгу.
б) Описание режимов управления морфологией и фазовым составом литированных катодов на основе высших оксидов ванадия.
в) Результаты исследования зависимости зарядно-разрядных характеристик и циклируемости катодов от морфологии и фазового состава.
г) Лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных положительных электродов на основе оксидов ванадия с удельной разрядной емкостью активного материала не менее 300 мАч/г.
д) Результаты изготовления экспериментальных образцов тонкопленочных электродов на основе наноструктурированных литированных оксидов ванадия.
е) Результаты экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкопленочных электродов на основе наноструктурированных литированных оксидов ванадия по разработанной программе и методике экспериментальных исследований.
ж) результаты экспериментального исследования возможности напыления многослойной структуры VxOy/Li.
з) Результаты исследование влияния параметров напыления на морфологию и стехиометрию пленок высших оксидов ванадия.
и) Описание метода экспресс-контроля электрофизических параметров тонкопленочных катодов.
2.3. Разработанный лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов:
а) позволяет получать экспериментальные образцы тонкопленочных отрицательных электродов Si-O-Al с удельной разрядной емкостью не менее 2000 мАч/г;
б) может быть принят за основу при разработке технологического регламента изготовления тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов на установке Индустриального партнера МАГНА ТМР.
2.4. Методика экспресс-контроля электрофизических параметров тонкопленочных анодов основана на методе экспресс-анализа элементного состава активного слоя тонкопленочного отрицательного электрода, позволяющего в совокупности с данными спектроскопии комбинационного рассеяния оценивать соответствие электрофизических параметров напыляемой пленки п.п. 4.2.2 -4.2.4 и 4.3.1.1.1 - 4.3.1.1.3 Технического задания без измерения зарядно-разрядных характеристик.
2.5. Экспериментальные образцы тонкопленочных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов изготавливаются в соответствии с лабораторным технологическим регламентом и требованиями Технического задания.
2.6. Программа и методика экспериментальных исследований зарядно-разрядных характеристик и циклируемости анодов предназначена для измерения зарядно-разрядных характеристик тонкопленочных анодов в гальваностатическом режиме и измерения зависимости разрядной емкости от номера цикла на автоматизированном зарядно-разрядном измерительно-вычислительном комплексе АЗРИВК – 0,05А-5В фирмы «НТЦ Бустер».
2.7. Разработанный лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных положительных электродов на основе оксидов ванадия с удельной разрядной емкостью активного материала не менее 300 мА•ч/г:
а) позволяет получать экспериментальные образцы тонкопленочных положительных электродов на основе оксидов ванадия с удельной разрядной емкостью не менее 300 мА•ч/г;
б) может быть принят за основу при разработке технологического регламента изготовления тонкопленочных положительных электродов на основе оксидов ванадия на установке Индустриального партнера МАГНА ТМР.
2.8. Экспериментальные образцы тонкопленочных электродов на основе оксидов ванадия изготавливаются в соответствии с лабораторным технологическим регламентом и требованиями Технического задания.
2.9. Методика экспресс-контроля электрофизических параметров тонкопленочных положительных электродов основана на методе экспресс-анализа элементного состава активного слоя тонкопленочного катода, позволяющего в совокупности с данными спектроскопии комбинационного рассеяния оценивать соответствие электрофизических параметров напыляемой пленки п.п. 4.2.1 -4.2.4 и 4.3.1.1.4 - 4.3.1.1.6 Технического задания без измерения зарядно-разрядных характеристик.