Исследование и моделирование процессов переноса лития в твердом электролите LiPON.

Актуальность предлагаемого проекта обусловлена необходимостью замещения импорта литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Основная проблема, связанная с импортозамещением ЛИА, состоит в том, что российский рынок аккумуляторной продукции чрезвычайно мал, и продажи ЛИА не смогут окупить затрат на создание аккумуляторного производства. Причиной такого положения стало уничтожение в 90-х годах прошлого века российской электронной промышленности, которая является основным потребителем ЛИА. Но если этот сегмент рынка для отечественных производителей ЛИА безнадежно потерян, то рынок полностью твердотельных ЛИА для них по-прежнему открыт. Основная масса ЛИА предназначена для портативных электронных и бытовых устройств. На протяжении всей истории ЛИА именно развитие портативной электроники служило стимулом для разработки новых электрохимических систем, направленных на увеличение их удельной емкости. В последние годы в связи с появлением гибкой электроники и широким распространением смарт-карт, имплантатов, вживляемых чипов и других миниатюрных устройств возникла потребность в малогабаритных или даже микроминиатюрных источниках энергии. В силу условий эксплуатации такие устройства должны быть полностью твердотельными и, следовательно, могут быть изготовлены только с помощью тонкопленочных технологий. Наиболее технологичными и высокоёмкими материалами для таких ЛИА являются LixV2O5 и Si. В качестве электролита в полностью твердотельных литий-ионных аккумуляторах могут использоваться аморфные, кристаллические или полимерные электролиты. Наибольшее распространение, благодаря своим уникальным свойствам, таким как малое число переноса по электронам te ˂ 10-8, большое потенциальное окно ΔV ~ 5V и относительно большая проводимость σ ~ 10-4 S/cm, получил фосфор-оксинитрид лития (LiPON), синтезированный более 20 лет назад в Oak Ridge National Laboratory. Последний наносится в виде тонкой пленки толщиной ~ 1 мкм методом магнетронного распыления мишени из ортофосфата лития при контролируемом давлении азота. Простой в получении и надежный в работе этот твердый электролит сейчас используется практически во всех промышленных SSLIBs. Не смотря на продолжительный опыт использования LiPON остается много вопросов фундаментального характера относительно механизмов переноса лития и влияния условий магнетронного нанесения на проводимость. В ходе выполнения проекта планируется проведение следующих исследований: • изучение мирового опыта по разрабатываемой тематике; • отработка режимов нанесения пленок LiPON методом магнетронного распыления мишени Li3PO4 в разреженной атмосфере азота; • изготовление капсулированных экспериментальных образцов твердого электролита LiPON в виде многослойных структур SiO2/Pt 100нм/LiPON 1000нм/Pt 100нм/Ti 10нм/(SiO2/Si); • изучение влияния технологических параметров на морфологию, элементный и фазовый состав аккумуляторных слоев и тестовых структур; • изготовление испытательного стенда для измерения импеданса в диапазоне температур от -50°С до +25°С; • исследование процессов переноса лития в твердом электролите LiPON методом импеданс-спектроскопии в диапазоне температур от -50°С до +25°С; • составление структурной схемы, моделирующей тестовую структур и построение диаграмм Найквиста для структурной схемы; • подгонка параметров модели и построение эквивалентной электрической схемы тестовой структуры с твердым электролитом; • исследования механизмов поляризации и ионной проводимости твердого электролита LiPON в диапазоне температур от -50°С до 25°С • измерение ионной проводимости LiPON методом разряда структуры через внешнюю нагрузку. Ожидаемыми результатами исследования в данной работе являются:• аналитический обзор по твердым электролитам для ЛИА;• лабораторная технология нанесения твердого электролита LiPON методом магнетронного распыления ортофосфата лития в атмосфере азота;• тестовые структуры для исследования ионной проводимости LiPON; • эквивалентная электрическая схема тестовой структуры Pt/LiPON/Pt;• результаты исследования морфологии и фазового состава электродных пленок методами электронной сканирующей микроскопии и рентгенофазового анализа;• данные о влиянии технологии нанесения пленок LiPON и тестовых структур на их морфологию, фазовый и элементный состав;• стенд для исследования поляризации и ионной проводимости LiPON методом разряда и импеданс-спектроскопии в диапазоне температур от -50°С до 25°С;• результаты исследования механизмов поляризации и ионной проводимости твердого электролита LiPON в диапазоне температур от -50°С до 25°С;• оценочные параметры диффузии лития в электролите LiPON;Изучение механизмов переноса лития в твердом электролите LiPON позволит подобрать режимы нанесения, обеспечивающие получение электролита с концентрацией и подвижностью лития в требуемом интервале значений. Полученные результаты могут быть использованы для разработки промышленной технологии изготовления твердого электролита для полностью твердотельных интегральных ЛИА. Это позволит не только заместить импорт аккумуляторной продукции, но и приведет к созданию новых, экологически чистых предприятий, работающих по так называемой «сухой» технологии.