В.В. Слепцов – д.т.н., зав. кафедрой «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии»,  Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) E-mail: 08fraktal@inbox.ru

Д.Ю. Кукушкин – к.т.н., ассистент, Московский авиационный институт  (национальный сследовательский университет) E-mail: skyline34@nxt.ru  

А.О. Дителева – ассистент, Московский авиационный институт  (национальный исследовательский университет) E-mail: anna.diteleva@mail.ru

Р.А. Цырков – аспирант, Московский авиационный институт  (национальный исследовательский университет)

Постановка проблемы. Традиционная толстопленочная технология производства химических источников тока (ХИТ) уже в течение почти 20-ти лет не только не обеспечивает необходимую динамику роста удельной энергоемкости, но и имеет тенденцию к ее уменьшению с целью увеличения безопасности эксплуатации изделий. Прорывными и наиболее важными задачами на данный момент стоит считать разработку тонкопленочных технологий и новых электрохимических систем с более высоким ресурсом (свыше 10000 циклов заряд-разряд – 20 лет эксплуатации) и большей удельной энергией (500…1000 Вт∙ч/кг). Перспективным направлением считается использование эластичных проводящих матриц на основе углерода при создании нанокомпозитных структур.

Цель. Разработка комплекса вакуумных тонкопленочных нанотехнологий создания электродных материалов для источников тока на основе гибкой углеродной матрицы с высокоразвитой поверхностью.

Результаты. Разработан комплекс вакуумных тонкопленочных нанотехнологий создания электродных материалов для источников тока. На основе разработанного электродного материала были изготовлены и исследованы ХИТ, сверхъемкие конденсаторные структуры (СКС), конденсаторы с псевдоемкостью и гибридные конденсаторы. Анализ полученных результатов удельных энергоемкостей СКС, СКС с металлизацией, гибридных СКС на основе кобальтата лития и конденсаторы с псевдоемкостью показал, что удельные энергоемкости гибридных СКС на основе кобальтата лития и конденсаторы с псевдоемкостью на основе оксида марганца имеют значения, превышающие удельную энергоемкость СКС в 4,5 и 4,8 раза соответственно. Разработанная технология позволяет увеличивать энергоемкость ячеек и снижать их внутреннее сопротивление.

Практическая значимость. Разработанный комплекс вакуумных тонкопленочных нанотехнологий позволяет создавать электродные материалы на основе гибкой углеродной матрицы с высокоразвитой поверхностью. Полученные электродные материалы могут быть использованы в накопителях энергии.

Слепцов В.В., Кукушкин Д.Ю., Дителева А.О., Цырков Р.А. Исследование и развитие вакуумных тонкопленочных нанотехнологий для создания электродных материалов для источников тока // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2020. Т. 12. № 3. С. 17–28. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202003-02.

1. Battery University. BU-205: Types of Lithium-ion. [В Интернете] http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion.
2. Warner J. The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design: Chemistry, Components, Types, and Terminology. Elsevier Inc. 2015.
3. Xiao Q., Li B., Dai F., Yang L., Cai M. Application of Lithium Ion Batteries in Vehicle Electrification. Electrochemical Energy: Advanced Materials and Technologies. 2016.
4. Kurzweil P. Dietlmeier O.K. Elektrochemische Speicher: Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche Grundlagen. Springer Fachmedien Wiesbaden. 2015.
5. Kurzweil P. Post-Lithium-Ion Battery Chemistries for Hybrid Electric Vehicles and Battery Electric Vehicles. Advances in Battery Technologies for Electric Vehicles. Elsevier Ltd. 2015.
6. Dahn J., Ehrlich G.M. Lithium-Ion Batteries. Linden’s Handbook of Batteries: 4th edition. McGraw-Hill Companies. 2011.
7. Johnson Matthey Battery Systems. Our Guide to Batteries. 2012.
8. Hocking M., Kan J., Young P., Terry C., Begleiter D. Welcome to the Lithium-Ion Age: DB Global Markets Research. б.м.: Deutsche Bank. 2016.
9. Козадеров. О.А. Современные химические источники тока: Учеб. пособие. Изд. 2-е, стер. СПб.: Лань. 2017. 
10. Слепцов В.В., Зинин Ю.В., Дителева А.О. Перспективы развития мобильной энергетики // Успехи в химии и химической технологии. 2019. Т. XXXIII. № 1. С. 28–30.
11. Склезнев А.А. Анализ основных тенденций развития химических источников тока и других накопителей энергии. Отчет, шифр «ТОК». М. 2017.
12. Miller J.R., Simon P. Materials science: electrochemical capacitors for energy management. Science 2008. V. 321. P. 651–2.
13. Xuli Chen, Rajib Paul, Liming Dai. Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage. National Science Review. V. 4. Is. 3. P. 453–489. DOI: 10.1093/nsr/nwx009
14. Лебедев Е.А. Разработка процессов формирования и исследование свойств элементов выделения тепла и накопления энергии для термоэлектрических батарей: Дисс. … канд. тех. наук. М.: Московский институт электронной техники. 2017. 184с.
15. Ву Дык Хоан. Исследование и разработка тонкопленочных многослойных электролитических ячеек: Дисс. … канд. тех. наук. М.: Московский авиационный институт. 2017. 143 с.
16. Кукушкин Д.Ю. Разработка физико-технических основ электроимпульсного метода синтеза наночастиц металлов и сплавов в жидкой диэлектрической среде: Дисс. … канд. тех. наук. М.: Московский авиационный институт. 2019. 149 с.
17. Sleptsov V.V., Kozhitov L.V., Muratov D.G., Popkova A.V., Savkin A.V., Diteleva A.O., Kozlov A.P. Thin film vacuum technologies for a production of highly-capacitive electrolytic capacitors. Journal of Physics Conference Series 1313 (26th International Conference on Vacuum Technique and Technology 18–20 June 2019, Saint Petersburg, Russian Federation). September 2019.
18. Гоффман В.Г., Гороховский А.В., Бурте Э.П., Слепцов В.В., Горшков Н.В., Ковынева Н.Н., Викулова М.А., Никитина Н.В. Модифицированные титановые электроды для накопителей энергии // Электрохимическая энергетика. 2017. №4. С. 225–234.
19. Громов Д.Г., Гальперин В.А., Лебедев Е.А., Кицюк Е.П. Развитие электрохимических накопителей электрической энергии на основе наноструктур // Нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера. 2015.
20. Табаров Ф.С. Получение и свойства волокнистых углеродных материалов для электродов суперконденсаторов: Дисс. … канд. тех. наук. М.: Национальный исследовательский технологический универститет «МИСиС». 2020. 115 с.
21. Sleptsov V.V., Ushkar M.N., Zinin Yu.V., Shchur P.A., Diteleva A.O., Kyaw Zaw Lwin. Study of the specific energy consumption of universal electrode materials for hybrid ultra-high-volume capacitor systems. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019.