Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0099

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0099
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова"
Название доклада
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
Докладчик
Рудый Александр Степанович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
По мере роста энергопотребления все большее значение приобретает возобновляемая энергетика, и в первую очередь – солнечная энергетика. В виду циклического изменения мощности солнечных электростанций, не совпадающего по фазе с энергопотреблением, функционирование электростанций невозможно без консервации электрической энергии. Таким образом, для возобновляемой энергетики актуальной проблемой является разработка энергоемких литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
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.
Описание исследования

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.
Результаты исследования

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.

Практическая значимость исследования
Научно-технические результаты ПНИ предназначены для отечественных разработчиков и производителей литий-ионных аккумуляторов и направлены на импортозамещение продукции, содержащей тонкопленочные и/или твердотельные ЛИА. Областью применения полученных результатов могут стать смарт-карты с дисплеем, гибкая электроника, гибкие сотовые телефоны и смартфоны, устройства однолектроники, и микросистемной техники. Как миниатюрные взрывобезопасные устройства твердотельные ЛИА станут незаменимыми источниками питания имплантатов и кардиостимуляторов. По интегральной технологии могут изготавливаться и крупногабаритные аккумуляторы, например, для автономных источников энергии, имеющих большую площадь поверхности для напыления активных слоев аккумулятора. Переход на интегральные ЛИА позволит создать новые, экологически чистые аккумуляторные производства, которые смогут работать по «сухой» технологии, не требующей сборки аккумуляторов в защитной среде, корпусирования и т.д. Используемые в технологиях интегральной электроники методы утилизации отходов позволят обеспечить экологическую чистоту производства. Научно-технические результаты работы являются основой для выполнения ОТР по созданию литий-ионных аккумуляторов на базе новой электрохимической системы с использованием отечественных материалов и комплектующих.
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.