Разработка лабораторной технологии синтеза и стабилизации голландитоподобных структур. Разработка, изготовление и тестирование лабораторных образцов материалов

В проекте решается научно-техническая задача создания новых материалов и структур для повышения эффективности накопления и хранения электрической энергии, а также уменьшения удельных энергетических параметров при сохранении высоких значений скорости заряда-разряда, снижения удельной материалоёмкости и себестоимости, повышения устойчивости к старению и деградации электрохимических систем. Научная новизна предлагаемых в инновационном проекте решений обусловлена использованием наноматериалов нового класса на основе многокомпонентных твердых растворов состава KxTi8-yMyO16, имеющих структуру голландита, отличающиеся типом и содержанием (у) переходного металла М или комбинацией нескольких различных переходных металлов, а также – содержанием калия (х). При этом, в качестве материала-прекурсора использованы продукты модифицирования слоистых частиц полититаната калия (ПТК) в водных растворах солей переходных металлов (М), имеющих химический состав близкий с составу голландитоподобных твердых растворов, состав которых контролировался за счет условий протекания модификации частиц ПТК в водных растворах солей переходных металлов или их смесей. Работы выполнялись с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования «Научно-образовательный центр по нанотехнологиям и наноматериалам СГТУ имени Гагарина Ю.А.» (ЦКП) в соответствии с Техническим заданием и календарным планом работ по Договору. Целью проекта является создание наноматериалов и наноструктур для высоко-эффективных накопителей электрической энергии – суперконденсаторов. Важными параметрами для таких накопителей являются их величины энергии и ёмкости в отношении к объёму и весу накопителя, скорости заряда-разряда, температурной и деградационной устойчивости. Для увеличения указанных характеристик, предполагается разработать методики формирования функциональных электродных покрытий, состоящих из наноразмерных частиц голландитоподобных твердых растворов, имеющих аномально высокую диэлектрическую проницаемость в сочетании с высокой ионообменной емкостью по ионам щелочных металлов. При этом, электродные покрытия будут формироваться на мультиканальных токопроводящих подложках различного типа. Для создания такой технологии решается ряд материаловедческих и технологических проблем. На первом этапе работ по проекту проведены исследования по разработке методов синтеза и стабилизации голландитоподобных структур. На основании анализа ранее проведенных исследований определены концепция и программа технологического и материаловедческого обеспечения работ. Разработана методика синтеза в системе K2O-MxOy-TiO2 голландитоподобных твердых растворов с эффективным диаметром частиц не более 100 нм, обладающих максимально возможными значениями диэлектрической проницаемости. Показано, что наиболее перспективным является использование, в качестве материала-прекурсора, полититанатов калия модифицированных в водных растворах смесей солей марганца и трехвалентных переходных металлов (алюминия и хрома). Разработан лабораторный технологический регламент синтеза порошков голландитоподобных твердых растворов выбранного состава. Сформирована программа тестовых испытаний образцов разработанных материалов, технологий и систем. Разработана технология изготовления стабилизированных дисперсий нанопорошков синтезированных соединений. Исследовано влияние различных поверхностно-активных веществ, а также - методов диспергирования на фракционный состав и стабильность полученных водных и спиртовых дисперсий. Исследованы электрофизические свойства синтезированных твердых растворов. Представлены и проанализированы данные по влиянию химического и фазового состава полученных продуктов на их диэлектрическую проницаемость, электропроводность и диэлектрические потери. Проведена оценка основных технических параметров твердых растворов, полученных в соответствии с разработанной лабораторной технологией, а также оценка их соответствия требования технического задания. На втором этапе проведена разработка способов и технологий нанесения покрытий на лабораторные образцы электродных материалов, их изготовление и тестирование. Разработаны методики удаления побочных продуктов (крупных агломератов) из водных и неводных дисперсий голландитоподобных твердых растворов исследованных систем, основанные на использовании мокрого помола в высокоэнергетических шаровых мельницах. Проведен физико-химический контроль и исследование полученных дисперсий современными методами, построены функции распределения частиц по размерам. Разработана методика нанесения порошков голландитоподобных твердых растворов на 3D-ячеистые подложки, полученные с использованием методик: основанных на травлении титановых фольг в концентрированных водных растворах кислот; формировании токопроводщих серебряных покрытий на пластинах, состоящих из мультиканальных стеклянных капилляров; а также, на использовании, в качестве подложек, никелевых сеток. Представлены разработанные и апробированные методики нанесения покрытий из порошков твердых растворов оптимизированных составов (системы ПТК-Mn,Al (2:1) и ПТК-Mn,Cr (2:1)) на все три типа ячеистых мультиканальных электродных структур. Приведены результаты исследования структуры полученных покрытий и результаты измерения электрохимических и электрофизические характеристик полученных электродов (редокс-потенциал, удельная запасаемая энергия и удельная емкость, удельная электропроводность поверхности, контактное сопротивление в зараженном состоянии). Проведена оценка основных технических параметров изученных систем и их соответствие требованиям технического задания. На третьем этапе реализации проекта проводились исследования, связанные с разработкой, изготовлением и тестированием лабораторных образцов конденсаторных структур с использованием разработанных на предыдущих этапах лабораторных технологий получения новых видов электродных материалов и электродов на их основе. В частности, разработаны лабораторные технологии изготовления образцов конденсаторных структур на основе 3d систем, проведено их изготовление и тестирование. Разработаны лабораторные технологии формирования активных покрытий на основе синтезированных соединений с использованием электрофоретических методов, методов центрифугирования и золь-гель методом на основе методики Лэнгмюра-Блоджет. Проведено исследование структуры и электрофизических свойств полученных покрытий. Разработан комплекс моделей и методов физикотехнического моделирования, инструментального и программного обеспечения сложных физических процессов в совмещённых электродных структурах и конденсаторных элементах электронных устройств, разрабатываемых в ходе выполнения работ по проекту. В первом разделе отчета приведено краткое изложение результатов исследований, проведенных в рамках работ по первому и второму этапам проекта и представленным в предыдущих (промежуточных) отчетах. Во втором разделе отчета представлены результаты дополнительных исследований возможности формирования, на токопроводящих электродных подложках различного типа, используемых для получения конденсаторных структур, активных покрытий на основе высокодисперсных порошков голландитоподобных твердых растворов системы K2O-Al2O3-MnO-TiO2. В частности, с использованием методоы электрофореза, центрифугирования и золь-гель технологий (варианты методики Лэнгмюра-Блоджет). Во третьем разделе изложены результаты исследования структуры и электрофизических свойств покрытий, полученных вышеуказанных дополнительных методик формирования электродов и сделаны выводы о целесообразности их использования в дальнейших исследованиях. В четвертом разделе представлены разработанные теоретические модели, адаптированные под традиционно используемое программное обеспечение, позволяющие осуществлять физико-техническое моделирование физик-химических процессов в совмещенных структурах формируемых в конденсаторных системах, изготавливаемых для использования в различных электро-химических устройствах с использованием материалов и технологических приемов, разработанных в процессе выполнения работ по проекту. В пятом разделе приведены разработанные методики изготовления лабораторных образцов конденсаторных структур, программа и методики их испытаний, а также - результаты тестирования лабораторных образцов этих структур, изготовленных в соответствии с предложенными технологическим подходом. В шестом разделе представлено обобщенное описание конструкции макетных образцов конденсаторных структур и технологических схем их изготовления, подготовленное с учетом результатов всех проведенных исследований в рамках проекта. В заключении подведены итоги и сделаны выводы по результатам проведенных исследований. Проведенные работы полностью соответствуют календарному плану и техническому заданию Договора. Все запланированные работы выполнены, а поставленные задачи – решены. Проведенные работы полностью соответствуют календарному плану и техническому заданию Договора. Все запланированные работы выполнены, а поставленные задачи – решены. На этапе проведения исследований в рамках программы Техностарт-2 планируется разработка технологии изготовления конкретных видов электронных компонентов, использующих созданные в рамках программы Техностарт-1 технологии формирования 2D (квазидвумерные и многослойные), а также и 3D мерных (многоканальных) структур.