14.574.21.0099
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.
Не менее важной областью применения ЛИА является электроника, которой требуются миниатюрные и высокоемкие аккумуляторы. Миниатюризация ЛИА невозможна без перехода на твердотельные ЛИА, которые найдут применение в устройствах микроэлектроники, гибкой электроники, смарт-картах, МЭМС устройствах и т.д. Как миниатюрные взрывобезопасные устройства они станут незаменимыми источниками питания имплантатов и кардиостимуляторов. По интегральной технологии могут изготавливаться и крупногабаритные аккумуляторы, например, для автономных источников энергии.
Переход на интегральные ЛИА позволит создать экологически чистые аккумуляторные производства, которые смогут работать по «сухой» технологии. В пользу интегральных технологий говорит и тот факт, что традиционные материалы микроэлектроники, такие как кремний и ванадий, одновременно являются наиболее перспективными электродными материалами для тонкопленочных ЛИА.
Таким образом, тема исследования, посвященного разработке тонкопленочных, твердотельных ЛИА, является актуальной.
Цель первого этапа работ состояла в выборе электрохимической системы тонкопленочного ЛИА и получении предварительных данных о возможности магнетронного напыления электродов.
В соответствии с поставленной целью на первом этапе работ были решены задачи:
- составления аналитического обзора, выбор и обоснование направления исследования;
- проведения предварительных экспериментов по магнетронному напылению тонкопленочных электродов;
- отработки технологии подготовки фольги для напыления ванадия;
- расчета параметров экспериментальных образцов ЛИА;
- корректировки процесса напыления анодов и его переноса на установку ИП;
- предварительных исследований влияния параметров напыления на морфологию и фазовый состав электродов.
Цель второго этапа работ состояла в повышении емкости и стабильности тонкопленочного анода и отработке режимов его изготовления. Поставленная цель была достигнута путем решения следующих задач:
- отработки режимов напыления нанокомпозита Si-O-Al;
- исследования влияния параметров напыления на морфологию и фазовый состав Si-O-Al;
- исследования зависимости характеристик анодов от их морфологии и фазового состава;
- разработки лабораторного регламента изготовления тонкопленочных анодов с разрядной емкостью не менее 2000 мА·ч/г;
- изготовления и исследования экспериментальных образцов анодов;
- разработки методов экспресс-контроля параметров анодов;
- проведения экспериментальных исследований по напылению высших оксидов ванадия;
- исследования зависимости характеристик катодов от их морфологии и фазового состава.
Целью третьего этапа являлась разработка физико-технологических основ изготовления тонкопленочного катода методом магнетронного напыления. Поставленная цель была достигнута путем последовательного решения следующих задач:
- отработки режимов напыления ванадия и лития с двух мишеней на металлическую фольгу;
- отработки режимов управления морфологией и фазовым составом литированных катодов;
- исследования зависимости зарядно-разрядных характеристик и циклируемости катодов от морфологии и фазового состава;
- разработки лабораторного регламента изготовления тонкопленочных катодов с разрядной емкостью не менее 300 мА·ч/г;
- изготовления экспериментальных образцов тонкопленочных катодов;
- исследования экспериментальных образцов катодов по разработанной программе и методике;
- исследования возможности напыления многослойной структуры VxOy/Li;
- исследования влияния параметров напыления на морфологию и стехиометрию катодов;
- разработки методов экспресс-контроля параметров катодов.
Цель четвертого этапа заключалась разработке и изготовлении экспериментального образца тонкопленочного ЛИА на основе Si-O-Al и пленок LixVyOz. Для достижения цели были решены задачи:
- разработки эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец ЛИА;
- разработки регламента изготовления экспериментального образца ЛИА;
- изготовления экспериментальных образцов ЛИА емкостью 0.5 А·ч;
- разработки программы и методики испытаний экспериментальных образцов ЛИА;
- испытаний экспериментального образца ЛИА;
- подготовки и наладки лабораторного оборудования для сборки экспериментальных образцов ЛИА.
На пятом этапе работ, посвященном нанесению твердого электролита методом магнетронного напыления и обобщению результатов ПНИ решены задачи:
- исследования возможности напыления твердого электролита;
- отработки режимов нанесения твердого электролита методом магнетронного напыления;
- исследование диффузии лития в тонкопленочных электродах и электролите.
- разработки регламента изготовления твердотельного электролита;
- оценки полноты решения задачи и достижения поставленных целей;
- разработки технических требований и предложений по производству и продукции с учетом особенностей индустриального партнера;
- технико-экономической оценки результатов ПНИ;
- разработки проекта ТЗ на выполнение ОТР тонкопленочного ЛИА;
- изготовления и испытания макета ЛИА с твердотельным электролитом;
- наладки стендов для испытаний макета ЛИА с твердотельным электролитом.
В ходе выполнения проекта были выполнены все этапы ПНИ и получены следующие научно-технические результаты:
1. Лабораторный технологический регламент изготовления тонкопленочных отрицательных электродов на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов с удельной разрядной емкостью не менее 2000 мА·ч/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 мА·ч/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 – 1А·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.
В качестве практического внедрения планируемых результатов 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.