Разработка новых химически неоднородных тонкопленочных систем катод-твердый электролит на базе литийсодержащих оксидов переходных металлов, полученных методом молекулярного наслаивания, для твердотельных источников тока, работоспособных при сверхбыстром заряде/разряде

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-73-10015

НазваниеРазработка новых химически неоднородных тонкопленочных систем катод-твердый электролит на базе литийсодержащих оксидов переходных металлов, полученных методом молекулярного наслаивания, для твердотельных источников тока, работоспособных при сверхбыстром заряде/разряде

Руководитель Максимов Максим Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Молекулярное наслаивание, твердотельные тонкопленочные литиевые источники тока, никелат лития, химически неоднородные тонкопленочные системы катод-ионный проводник, сверхбыстрый заряд/разряд

Код ГРНТИ29.19.16, 31.15.33, 47.13.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность проекта заключается в объективной необходимости развития индустрии экологически чистых источников тока в России. Особую актуальность данная тематика имеет в связи с заметным отставанием России от развитых стран в области разработки и внедрения электрохимических источников энергии, в частности литий-ионных аккумуляторов, в том числе и для микроэлектронных устройств. Для питания миниатюрных и гибких устройств (биосенсоры, беспроводные датчики со встроенными источниками питания, автономные детекторы света, звука, изменения химического состава газа и т. д.) необходимо использование твердотельных литий-ионных аккумуляторов (ТЛИА), изготовленных с использованием технологий нанесения тонких плёнок. В настоящее время ввиду низкой энергоёмкости они не находят широкого применения, однако, по мнению представителей ряда крупных производителей (Samsung, LG) внедрение твердотельных тонкоплёночных ЛИА для питания электронной техники может быть реализовано уже в ближайшие несколько лет. В этой связи многие группы учёных проводят поисковые научные исследования в области разработки материалов для ТЛИА. Электрохимическая система твердотельных литий-ионных аккумуляторов состоит из плёнок анода, твердого электролита (также выполняет функцию сепаратора) и катода, нанесённых последовательно друга на друга. В качестве катода и анода могут быть использованы плёнки с составом и структурой как у активных катодных и анодных материалов, применяемых при разработке промышленных литий-ионных аккумуляторов. В качестве электролита могут выступать различные ионные проводники. В этой связи, изучение электрохимических процессов, в тонких плёнках будет способствовать не только разработке более совершенных ТЛИА, но и более глубокому понимаю протекания начальных стадий интеркалляции (деинтеркалляции) ионов лития в (из) активные (ых) материалов ЛИА, в том числе и при сверхбыстром заряде/разряде. Никелат лития является перспективным катодным материалом ТЛИА, обладающий существенно большей емкостью по сравнению с LiCoO2, который применяется в большинстве ТЛИА, при заряде/разряде в том же окне потенциалов (2.7-4.2В). Вследствие, более дешевого сырья стоимость данного катодного материала должна быть ниже. Однако, порошки никелата лития долгое время не выпускались промышленностью ввиду нестабильности его структуры при высокой степени заряда, а также повышенной окислительной способности поверхности. Для устранения недостатков, связанных со стабильностью структуры, для порошковых материалов успешно применяют допирование различными химическими элементами: Mg, Al, Ti, Mn, Fe, Co, Zn, Ga, Nb и F. Таким образом, допирование LiNiO2 может способствовать улучшению ряда электрохимических характеристик, что позволяет рассматривать его в качестве катодного материала для тонкопленочных литиевых источников тока. Научная новизна: в проекте предполагается впервые с применением метода молекулярного наслаивания изучить закономерности роста плёнок катодного материала на основе LiNiO2, допированного металлами из ряда Al, Mn, Co и ионно-проводящего покрытия на базе систем Li-Ta-O, Li-Ti-O, Li-Nb-O. В рамках проведения электрохимических исследований планируется определить влияние состава, структуры и толщин систем катод-ионный проводник на емкость, ресурс при различных скоростях зяряд/разряд. В научно-технической литературе имеются работы по синтезу и изучению электрохимических характеристик тонких пленок кобальтата лития (LiCoO2) для ТЛИА, однако работы, посвященные более перспективному катодному материалу для тонкопленочных ТЛИА - никелату лития (LiNiO2), к настоящему моменту, в базах данных Web of Science и Sсopus отсутствуют.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Максимов М.Ю., Назаров Д.В., Коштял Ю.М., Митрофанов И.В., Попович А.А. Atomic layer deposition of Li-Me-O thin films as electrode materials for nanodevices power sources Proceedings, MDPI, Proceedings 2019, 3(1), 9 (год публикации - 2019)
10.3390/IOCN_2018-1-05488

2. Назаров Денис, Ежов Илья, Митрофанов Илья, Лютаков Алексей, Максимов Максим The Use of the TMA as stabilizing reagent for the Li-O system obtained by atomic layer deposition Key Engineering Materials, Issue tittle: New Materials and Technologies in Mechanical Engineering (год публикации - 2019)

3. Юрий Коштял, Денис Назаров, Илья Ежов, Илья Митрофанов, Артем Ким, Александр Румянцев, Алексей Лютаков, Анатолий Попович, Максим Максимов Atomic layer deposition of NiO to produce active material for thin-film lithium-ion batteries Coatings, MDPI, Special Issue - Surface Functionalization by ALD Technology: 9(5), 301 (год публикации - 2019)
10.3390/coatings9050301

4. Максимов М.Ю., Коштял Ю.М., Митрофанов И.В., Ежов И.С., Румянцев А.М., Попович А.А. Features of the synthesis of lithium-based ternary oxide nanofilms by atomic layer deposition with LHMDS for thin-film LIBs Materials Today: Proceedings (год публикации - 2019)
10.1016/j.matpr.2019.10.107

5. Коштял Ю.М., Ежов И.С., Митрофанов И.В., Ким А.Э., Назаров Д.В., Румянцев А.М., Попович А.А., Максимов М.Ю. ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF LITHIUM-NICKEL OXIDE THIN FILMS OBTAINED WITH USE OF ATOMIC LAYER DEPOSITION NANOCON 2019 - Conference Proceedings (год публикации - 2019)

6. Максимов М.Ю., Назаров Д.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Ежов И.С., Митрофанов И.В., Ким А.Э., Медведев О.С., Попович А.А. Atomic layer deposition of lithium–nickel–silicon oxide cathode material for thin-film lithium-ion batteries Energies, MDPI (год публикации - 2020)
10.3390/en13092345

7. Митрофанов И.В., Коштял Ю.М., Назаров Д.В., Ежов И.С., Ким А.Э., Румянцев А.М., Медведев О.С., Лютаков А., Попович А.А., Максимов М.Ю. ELECTROCHEMICAL ACTIVITY OF LITHIUM NICKEL OXIDE THIN-FILM CATHODES OBTAINED BY ALD NANOCON 2020 - Conference Proceedings, Брно, Чехия (год публикации - 2021)
10.37904/nanocon.2020.3718

8. Митрофанов И.В.,Назаров Д.В., Коштял Ю.М., Ежов И.С., Федоров П.А., Румянцев А.М., Попович А.А., Максимов М.Ю. NICKEL-COBALT OXIDE THIN-FILMS ANODES FOR LITHIUM-ION BATTERIES NANOCON 2020 - Conference Proceedings, Брно, Чехия (год публикации - 2021)
10.37904/nanocon.2020.3714

9. Коштял Ю.М., Митрофанов И.В., Назаров Д.В., Медведев О., Ким А.Э., Ежов И.С., Румянцев А.М., Попович А.А., Максимов М.Ю. Atomic Layer Deposition of Ni-Co-O Thin-Film Electrodes for Solid-State LIBs and the Influence of Chemical Composition on Overcapacity Nanomaterials (год публикации - 2021)
10.3390/nano11040907

Публикации