Nanomeeting

 
 

Вход

Личные сообщения

Вы не авторизованы.

RSS-лента

 Хотите первыми получать новости с сайта NanoPlatfom.by? Это очень просто. Подпишитесь на RSS ленту. 

Подписаться на новости NanoPlatform.By

Литература

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - 2011 Микроэлектроника

Ссылки

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - internatiol conference Национальная академия наук Беларуси Государственный комитет по науке и технологиям ВАК - Высшая аттестационная комиссия

Наноструктурированный кремний для анодов литий-ионных аккумуляторов 

В настоящее время активно ведутся разработки высокоемких, надежных и долговечных источников энергии, в частности литий-ионных аккумуляторов, массово применяющихся в современной электронной технике, электромобилях и различных энергетических системах. Основным направлением разработок является поиск и совершенствование материалов для отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. Кремний в этом отношение представляет значительный интерес, так как характеризуется существенно большей зарядно-разрядной емкостью по сравнению с применяющимися в настоящее время углеродными материалами. Вместе с тем, основной проблемой применения Si анодов в аккумуляторах является их механическая прочность при объемном расширении, сопровождающем процесс внедрения лития и приводящем к растрескиванию электродов. Наноструктурирование электродов может решить эту проблему. Далее представлены результаты исследования изменений в структуре анодов на основе наноструктурированного кремния, происходящие в результате процессов циклического внедрения и экстракции лития.

Морфология пленки наноструктурированного кремния после селективного удаления алюминиевой фазы показана на рис. 1. Полученная структура представляет собой высокопористый зернистый кремниевый скелет из взаимосвязанных элементов размером 20-200 нм. Алюминиевая фаза полностью вытравлена, в то время как кремниевые кластеры представляют собой нанокристаллы, покрытые аморфным слоем. 

Рисунок 1. СЭМ изображение поверхности пленки Al+Siпосле селективного вытравливания алюминиевой фазы.

 

Вольт – временная характеристика прототипа литий-ионной ячейки при циклическом внедрении и экстракции лития представлены на рис. 2. Здесь же приведена форма токовой зависимости зарядного цикла. В целом приведенные зависимости свидетельствуют о нормальном функционировании литий-ионной ячейки после проведения первого цикла заряда, когда имело место первоначальное литирование наноструктурированного кремниевого анода.

Рисунок 2. Типичная вольт- временная характеристика прототипа литий-ионной ячейки при циклическом литировании. Прямые линии показывают изменение тестового тока.

Рисунок 3. Динамика саморазряда исследуемого прототипа литий-ионной ячейки.

Динамика саморазряда прототипа литий-ионной ячейки представлена на рис. 3. Несмотря на потери (порядка 35% в течение часа), связанные с несовершенством экспериментальной системы и наличием утечек, исследуемая литий-ионная ячейка продемонстрировала значительный потенциал для дальнейшего совершенствования.

Морфология пленки наноструктурированного кремния после 20 циклов внедрения и экстракции лития представлена на рис. 4. Исследуемый образец сохранил первоначальную кораллообразную структуру, но в нем появились микротрещины. Число микротрещин коррелирует с плотностью тока, используемого для заряда ячейки. Тем не менее, микротрещины не привели к фрагментации всей структуры. Появление микротрещин связано с довольно жесткими условиями проведения испытаний из-за высокой плотности тока через ячейку.

 

Рисунок 4. СЭМ изображение поверхности пленки наноструктурированного кремния после 20 циклов заряда/разряда: a) общий вид; b) фрагмент структуры.

 

Также на поверхности образца появился довольно толстый растрескавшийся слой, местами практически полностью покрывающий кремниевую поверхность. По-видимому, это образующийся на поверхности анодов слой SEI (solid – electrolyteinterphase), который является продуктом восстановления электролита. Образование толстых слоев SEI на кремниевых наноструктурах наблюдалось и в других работах, где отмечается, что данный слой играет стабилизирующую роль, усиливая механическую прочность материала анода.

Очевидно, что кораллообразная структура механически более прочная по сравнению с игольчатыми или трубчатыми структурами, потому что зерна в ней соединены друг с другом по всей толщине пленки.

Таким образом, кораллообразные наноструктурированные пленки Si, полученных методом магнетронного распыления композитных мишеней Al+Si и селективного вытравливания Al четко продемонстрировали способность аккумулировать Li во время заряда структуры и поддерживать определенный уровень напряжения во время разряда. При этом они имеют высокую механическую прочность даже при высокой плотности тока заряда, что является их несомненным преимуществом. Дальнейшее исследование роли пористости и кристаллической структуры зерен должно способствовать оптимизации производительности исследуемых структур в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов.

 

Сайт сделан в Центре Наноэлектроники и Новых Материалов, НИЧ БГУИР, по заказу Министерства Образования РБ.