Дизайн и направленный синтез с использованием ALD – технологии наноразмерных материалов для высокоемких аккумуляторов нового поколения

Разработка новых эффективных электродных материалов для литий-ионных и органических аккумуляторов - актуальная задача современной химии материалов, решение которой во многом определяет перспективы развития производства портативных электронных устройств, медицинской и другой высокотехнологичной техники, электротранспорта. Современный рынок диктует новые требования к источникам питания, в частности, в настоящее время весьма востребованы аккумуляторы нового поколения с улучшенными электрохимическими характеристиками, которые бы обеспечивали высокую удельную энергию, длительный срок эксплуатации и возможность питания устройств высокой мощности и высокие скорости зарядки. С другой стороны, постоянное увеличение темпов роста производства наиболее широко используемых литий-ионных аккумуляторов приводит к удорожанию литиевого сырья и создает проблему их утилизации. Вместе с тем, стоимость аккумуляторов ограничивается высокой конкуренцией и постоянно растущим предложением на рынке портативной техники. Это объясняет актуальность разработки новых технологий, которые бы позволяли создавать источники тока с улучшенными электрохимическими характеристиками, но при этом недорогие и экологически безопасные в производстве и утилизации. Возможность создания таких технологий в значительной мере определяется решением научных проблем химии материалов, среди которых особенно актуальна проблема разработки новых электродных материалов для литий-ионных и органическихаккумуляторов. Научная новизна решаемой в проекте задачи заключается, в первую очередь, в оригинальных подходах и методах основанных на использовании уникальных возможностей метода ALD, которые предлагается использовать для получения гибридных электродных материалов нового поколения. Фундаментальная цель проекта – разработка с использованием метода ALD новых подходов к получению электродных структур, способных к реализации высоких удельных мощностных и энергетических характеристик и обладающих длительным рабочим ресурсом. Основу электроактивных электродных структур, полученных методом ALD, будут составлять ряд твердотельных интеркалируемых литием соединений на основе d-элементов с широким варьированием химического и фазового состава, морфологии, а также геометрии сформированных композитных слоев. Оптимальный выбор состава всех компонентов электроактивного композита, их количественного содержания, а также архитектуры композита позволит достичь высокого уровня характеристик аккумуляторных батарей. Основой предлагаемого проекта будет комплексный подход к получению методом ALD материалов заданного строения, размера и состава, а также анализ физических и электрохимических свойств получаемых электродных материалов. Обширные возможности метода ALD позволят детально ”собрать” сложные послойные образования, такие как литий-аккумулирующий материал|твердый литий-проводящий электролит. Предлагаемый подход отличается исключительной новизной и актуальностью, не имеет аналогов в мировой литературе. С использованием метода ALD, будет получен широкий спектр новых гибридных наноматериалов, в которых на углеродных частицах различной природы будут сформированы тонкие неорганические пленки (толщиной 1-100 нм) на основе оксидов или сульфидов соответствующих элементов. Оригинальность такого подхода гарантирует получение принципиально новых композиционных материалов различной морфологии и состава, в которых наноразмерное неорганическое покрытие различного состава и морфологии будет сформировано на поверхности углеродных материалов, отличающихся по своим свойствам (углеродные нанотрубки, восстановленный оксид графена, технический углерод). Сочетание неорганической и углеродной компонент в составе полученных гибридных материалов позволит улучшить адаптируемость к изменению объема неорганических частиц электродного материала, взаимодействующих в ходе циклов заряда/разряда с литием или натрием, а также увеличить электронную проводимость и площадь поверхности материала. За счет этого предполагается значительно повысить стабильность электродного материала в ходе работы аккумулятора и улучшить его скоростные характеристики. Уникальная вариабельность метода ALD дает возможность регулировать состав и морфологию материала, позволяет оптимизировать выбор прекурсоров, условия синтеза и разработать эффективные электродные материалы с улучшенными электрохимическими свойствами. В качестве материаловтаких твердоэлектролитных слоев будут использоваться твердые литий-проводящие соединения с относительно высоким уровнем ионной проводимости при комнатной температуре.