Чтобы обеспечить растущие потребности человечества в электронных приборах, мало произвести энергию, надо ее накопить и сохранить. Сегодня самый популярный тип аккумулятора — литий-ионный (ЛИА). Такие используют в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и электромобилях. Потому что у ЛИА много достоинств: высокая энергетическая емкость, хорошо держит заряд и не требует обслуживания. Но есть и недостатки: на холоде довольно быстро разряжаются, а заряжать их лучше при температуре около 20оC, в жару может вздуться батарея, а ниже 5оC процесс зарядки замедляется. Кардинально улучшить характеристики литий-ионного аккумулятора, обеспечить его высокую емкость и стабильную работу при температурах от +30 до -40оС — такую задачу поставили сотрудники Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, реализующие проект РНФ “Фундаментальные основы электрохимического синтеза новых электродных материалов на основе кремния”.
Работы в этом направлении начались в ИВТЭ несколько лет назад, но грант РНФ позволил ученым выйти на новый уровень исследований, приступить к созданию по-настоящему инновационных продуктов. Коллектив, который возглавляет доктор химических наук Юрий Зайков, научный руководитель ИВТЭ, включает поровну представителей старшего и молодого поколений исследователей. И все они убеждены, что будущее литий-ионных аккумуляторов — за кремнием. Своими работами они уже показали, что, применяя наноструктурированные материалы на основе кремния, можно повысить эффективность работы ЛИА.
— Это достигается за счет увеличения удельной емкости анодного материала, — поясняет участник проекта кандидат химических наук Андрей Исаков (на снимке). — Сейчас в литий-ионных аккумуляторах основу материала отрицательного электрода составляют соединения углерода, который представлен порошковой фракцией, и емкость его по литию не так уж велика, около 370 мА˙ч/г. Плюс углеродные материалы плохо переносят резкие перемены температуры, из-за этого падает их емкость и уменьшается срок службы батареи. Кремний обладает на порядок более высокой удельной емкостью — 4200 мА˙ч/г. Его использование в сочетании с углеродом, имеющим хорошую электропроводность, позволит не только значительно улучшить характеристики ЛИА, но и без проблем применить в технологиях.
Сегодня самый перспективный способ получения кремния — электролитическое осаждение в расплавленных солевых электролитах. Участники проекта работают одновременно в двух направлениях. Первое — фундаментальные исследования физико-химических закономерностей изменения свойств расплавленных электролитов, процесса зарождения и роста кремниевой фазы из расплавов солей и взаимодействия кремниевых материалов с ионами лития. Составив четкое представление о зародышеобразовании в солевых расплавах, исследователи смогут направленно менять морфологию электролитических осадков кремния и перейти к изучению тонкостей процессов формирования кремниевых наноматериалов. А затем получать покрытия, нановолокна, тонкие пленки, даже одноатомные слои кремния, близкие по структуре к силицену — соединению, подобному графену.
— Электрокристаллизация кремния имеет свои закономерности, — добавляет Андрей Исаков. — Выяснилось, что все зародыши кремния появляются одновременно и сразу начинают расти. Мы предположили, что благодаря такому мгновенному зарождению можно сформировать пленки заданной толщины, и, проведя первые эксперименты, убедились, что так и есть. Мы попробовали разные составы расплава, изучили механизм электродной реакции и влияние на нее параметров процесса. Далее исследовали электроосаждение кремния на углеродную подложку в различных режимах, установили диапазон температур, в котором можно комфортно работать. Температурный режим, кстати, определяется не только тем, как должен вести себя кремний в электродном процессе, но также материаловедческими и технологическими решениями. В результате мы получили как кремниевые наноструктуры различной формы, так и сплошные слои кремния на разных подложках. Нам удалось исследовать их свойства методами электронной микроскопии, романовской спектроскопии, микрорентгеноспектрального анализа.
Вторая часть работы по гранту — компьютерный эксперимент: молекулярно-динамическое моделирование кремниевых материалов и исследование воздействия на них лития. Цель — выяснить, каким должен быть наноматериал для анода литий-ионного аккумулятора по ориентации зерен, по количеству слоев, а если это тонкая пленка, то что лучше — моно-, поликристаллический слой или аморфный… Это только часть данных, необходимых для конструирования силиценовых анодов. Создана также компьютерная программа для определения межфазной энергии, характеризующей сцепление силицена с подложкой.
Пока участники проекта работают отдельно по каждому из двух направлений, но, когда благодаря компьютерному моделированию будут определены оптимальные характеристики материала, они объединят усилия, чтобы направленно его синтезировать. До сих пор к решению этой проблемы так комплексно никто не подходил. Традиционно сначала синтезируют наноматериал, а затем изучают его свойства непосредственно в источнике тока, подбирая лучший вариант методом проб и ошибок.
Широкое привлечение молодежи к работе по крупным грантам — целенаправленная политика руководства ИВТЭ. Известно, что зарплата у младшего научного сотрудника — просто “слезы”. Совсем другое дело, когда он участвует в работе, за которую можно получить дополнительные деньги. Старшее поколение не боится делегировать младшим коллегам административные обязанности — недавно три лаборатории ИВТЭ возглавили молодые кандидаты и доктор наук, доверяют молодежи и руководство научными группами. Такую группу в рамках гранта РНФ возглавляет Андрей Исаков, который пришел в институт в 2008 году, сразу после окончания УрФУ. По его словам, участники проекта трудятся слаженно и очень увлеченно, ведь интеллектуальный поиск не заканчивается с уходом домой. Именно поэтому ученые достаточно быстро получают хорошие результаты.
— Электрохимический синтез наноматериалов на основе кремния — очень перспективное научное направление, — уверен научный руководитель ИВТЭ Юрий Зайков. — Неслучайно производственники живо интересуются ходом наших исследований. Ведь литий-ионные аккумуляторы широко применяются в различных гаджетах, системах поддержания микроклимата в арктических условиях, в солнечных батареях и ветрогенераторах, в электромобилях, в источниках бесперебойного питания для особо важных объектов, в лазерной измерительной технике и многих других областях. К тому же новые технологии электрокристаллизации кремния представляют экономический интерес и сами по себе. Если традиционный процесс получения этого химического элемента проходит при температуре 1800-1850оС, то в нашем случае — при 700оС. Словом, выполняя грант РНФ, мы поставили себе нетривиальные задачи, а значит, и решения будут найдены оригинальные.
Елена ПОНИЗОВКИНА
Нет комментариев