ИСТИНА

Создание научных основ технологии изготовления тонкопленочных электродов литий-ионных аккумуляторов на новых электрохимических системах. Разработка и исследование нового анодного материала с трехмерной архитектурой поверхности для тонкопленочных литий-ионных батарей, позволяющего существенно повысить их удельные характеристики.

В ходе выполнения НИР в соответствии с календарным планом выполнены следующие работы: - выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР - проведены исследование, обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения поставленных задач в области создания литий-ионных аккумуляторов повышенной эффективности. - выполнена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы. - проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. - исследованы и выбраны наиболее эффективные технические параметры создания тонкопленочного анода для литий-ионных аккумуляторов. - исследованы физико-химические закономерности между структурными и электрохимическими свойствами анодного материала НКГ/кремний. Показано, что увеличение загрузки кремния приводит с одной стороны к пропорциональному увеличению удельной емкости, а с другой к падению величины необратимой литиевой емкости, связанной с появлением интерфейса твердое тело-электролит в процессе первого цикла интеркаляции/деинтеркаляции. Кроме того, увеличение загрузки приводит к уменьшению площади поверхности анодного материала, что может сказаться на значении пиковой мощности. - разработаны базовые физические основы технологии создания анода на основе плазмохимически синтезированных пленок и кремния для тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов. Разработанные принципы включают: плазмохимическое осаждение пленки нанокристаллического графита (НКГ), создание композитного материала на основе НКГ и кремния, представляющего собой последовательное чередование слоев НКГ и кремния. - наработаны лабораторные образцы тонкопленочного анодного материала с варьируемыми структурными свойствами и проведение их диагностики - разработана лабораторная методика получения экспериментальных образцов тонкопленочного отрицательного электрода (анода) с трехмерной архитектурой поверхности для литий-ионных аккумуляторов. - проведено имитационное моделирование значений удельной емкости, удельной энергии и удельной мощности тонкопленочной литий-ионной батареи на основе разработанного анодного материала и сравнение с аналогичными показателями коммерчески доступных тонкопленочных литий-ионных батарей. Показано, что тонкопленочная литий-ионная батарея на основе разработанного анодного материала обладает удельными характеристиками, превышающими аналогичные показатели коммерческих тонкопленочных батарей. - разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец тонкопленочного анода с трехмерной архитектурой поверхности для литий-ионной батареи. - получены экспериментальные образцы тонкопленочного анода на основе нанокристаллического графита и кремния для литий-ионных аккумуляторов. - разработаны Программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных аккумуляторов. - проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов тонкопленочного анода на основе нанокристаллического графита и кремния. Показано, что нанесение дополнительного НКГ слоя на поверхность анодного материала способствует существенному повышению его стабильности в процессе циклирования. При этом в пределах 30 циклов деградации материала не обнаружено, в то время как обратимая литиевая емкость составила 0,8 мАч/см2 (~3500 мАч/г). - выполнена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов. - разработаны рекомендации и предложения по использованию результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. - разработан проект ТЗ на ОКР «Создание опытно-промышленного образца тонкопленочного литий-ионного аккумулятора с трехмерной архитектурой электродов» За внебюджетные средства исследовано: - влияние условий плазмохимического синтеза материала электрода на его структурные свойства. Показано, что структурные свойства НКГ материала полностью определяются параметрами плазмохимического осаждения. Так на начальном этапе синтеза в процессе увеличения относительной концентрации метана от 0% до рабочих значений создаются благоприятные условия для образования алмазоподобного подслоя. При этом толщина подслоя уменьшается с увеличением скорости протока метана. Также толщина подслоя уменьшается с увеличением тока разряда. В тоже время изменение концентрации метана, общей скорости подачи газа и тока разряда определяет конечную морфологию НКГ пленки, сформированную графеноподобными кристаллитами. - влияние типа подложки для нанесения анодного материала на его электрохимические характеристики (обратимая литиевая емкость, степень деградации в процессе циклирования). Показано, что НКГ пленки, синтезированные как на никеле, так и на титане проявляют стабильные характеристики. Таким образом, можно сделать вывод о том, что НКГ пленки пригодны для дальнейшего использования в тонкопленочном аноде, при этом деградация электрохимических характеристик анодов связана со структурой кремниевой пленки и ее поверхности. В целом в ходе работы в ходе выполнения НИР исследования позволили установить основные экспериментальные зависимости между структурными и электрохимическими свойствами тонкопленочного анодного материала на основе НКГ и кремния. В результате моделирования была продемонстрирована эффективность разработанного материала. Проведенные исследования представляют существенный задел для проведения дальнейших научно-технических исследований, связанных с получением электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов нового поколения. Полученные в ходе выполнения проекта результаты находятся на уровне мировых достижений и имеют приоритетный характер. К выполнению работ привлекались аспиранты физического и химического факультетов МГУ, а также молодые специалисты – сотрудники НИИЯФ МГУ. Таким образом, можно ожидать, что полученные результаты представляют большой практический интерес и создает существенный технологический задел. Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и КП.