Исследование влияния структуры и фазового состава нанокомпозитов на основе кремния на процессы внедрения и экстракции лития тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Мазалецкий Леонид Алексеевич
Мазалецкий Леонид Алексеевич
кандидат наук
2022
- Специальность ВАК РФ01.04.07
- Количество страниц 134
Оглавление диссертации кандидат наук Мазалецкий Леонид Алексеевич
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Литий-инонные аккумуляторы на тонких плёнках. Основные этапы развития
14
технологии
1.2. Электрохимические системы тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов
1.3. Тонкопленочные отрицательные электроды
1.4. Электролиты для твердотельных тонкопленочных аккумуляторов
1.5. Промышленные тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы
1.6. Выводы 32 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ЕМКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ НАНОКОПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Обоснование выбора материала отрицательного электрода для тонкопленочного ЛИА
2.2. Обоснование выбора структуры и стабилизирующих добавок для тонкопленочного отрицательного электрода
2.3. Подготовка поверхности титановой фольги для нанесения отрицательного электрода
2.4. Проведение предварительных экспериментов по магнетронному нанесению тонкопленочных электродов контролируемого фазового состава и толщины
2.5. Результаты предварительных экспериментов по магнетронному нанесению тонкопленочных отрицательных электродов контролируемого фазового состава и 45 толщины
2.5.1. Результаты исследования морфологии пленок на основе кремния методом электронной микроскопии
2.5.2. Результаты исследования кристаллической структуры и фазового состава многослойных пленок Si@O@Al методами рентгеновской дифрактометрии
2.6. Изготовление и исследование экспериментальных образцов отрицательных электродов на основе однородных пленок состава Si@O@Al
2.6.1. Изготовление однослойных экспериментальных образцов на установке МВУ ТМ Магна
2.6.2. Исследование зависимости элементного состава от параметров процесса нанесения однородных пленок Si@O@Al на установке МВУ ТМ Магна
33
34
40
40
45
48
54
54
61
61
63
65
66
69
2.6.3. Исследование зависимости структуры однородных пленок состава Si@OAl от параметров процесса нанесения
2.7. Изготовление экспериментальных образцов анодов на основе многослойных пленок состава 81@0@Л1
2.7.1. Изготовление многослойных экспериментальных образцов на установке МВУ ТМ Магна
2.7.2. Измерение толщины, удельного сопротивления, плотности и элементного состава слоистых пленок 81@0@Л1
2.7.3. Исследование зависимости структуры многослойных пленок 81@0@Л1 от параметров процесса напыления
2.8. Тонкопленочные отрицательные электроды с удельной разрядной емкостью более 2000 мАч/г
2.9. Сопоставление зависимостей зарядно-разрядных характеристик и циклируемости пленок Si@0@A1 от морфологии и фазового состава
2.10. Определение коэффициента диффузии лития в нанокомпозите Si@O@Al
2.11. Выводы 73 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ЕМКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ 75 ЭЛЕКТРОДОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК 81@0@Л1@2и
3.1. Использование композита Si@O@Al@Zn в экспериментальных образцах тонкоплёночых анодов
3.2. Исследование зависимости морфологии и фазового состава пленок 81@0@Л1@2и от параметров процесса нанесения
3.2.1. Исследование морфологии, элементного состава и проводимости пленок 81@0@Л1@2и
3.2.2. Исследование фазового состава пленок 81@0@Л1@2и методом рентгенофазового анализа
3.2.3. Исследование фазового состава пленок 81@0@Л1@2и методом рамановской спектрометрии
3.2.4. Характеристики ёмкости и циклируемости экспериментальных образцов анодов электрохимической схемы Si@O@Al@Zn
3.3. Выводы 88 ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЕМКОСТИ И ЦИКЛИРУЕМОСТИ
89
ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НА ОСНОВЕ НАНОКОМПОЗИТА 81@0@Л1
4.1. Изготовление и испытание экспериментальных образцов на основе плотных
75
77
77
80
84
86
105
105
пленок Si@O@Al
4.2. Изготовление и испытание экспериментальных образцов на основе пористых пленок Si@O@Al
4.3. Исследование влияния электролита на скорость деградации пленок
4.4. Выводы 103 ГЛАВА 5. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР. СТРУКТУРА, ТЕХНОЛОГИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
5.1 Уровень разработок в области полностью твердотельных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА)
5.2. Изготовление макетов ТТЛИА
5.3. Испытания макетов ТТЛИА
5.4. Влияние уровня литирования полупроводниковых электродов на зарядно-разрядные кривые ТТЛИА
5.5. Выводы 115 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 118 БЛАГОДАРНОСТИ 131 ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Актуальность диссертационной работы обусловлена зависимостью отечественных потребителей аккумуляторной продукции от импорта литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). На аккумуляторном рынке российские производители не выдерживает конкуренции мировых монополий, поэтому ряд отраслей экономики полностью комплектуются импортируемыми ЛИА. Это может привести к полной зависимости отечественной электроники, приборостроения, автомобилестроения и энергетики от политической и экономической конъюнктуры.
Английское название «all solid-state lithium-ion battery», или сокращённо «SSLIB», соответствует русскому наименованию «полностью твердотельный литий-ионный аккумулятор». В отечественных источниках чаще всего используется термин «твердотельные тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы» (ТТЛИА). ТТЛИА необходимы для широкого спектра устройств, таких как смарт-карты, RFID-метки, микроэлектромеханические системы, гибкая электроника, имплантаты и кардиостимуляторы, а также автономные источники энергии. В ряде случаев нужны интергальные решения - аккумуляторы, интегрированные в кристалл или подложку в процессе технологического цикла производства устройства. Такие отечественные микроаккумуляторы смогли бы полностью вытестить импортные источники тока по причине невозможности их физического замещения.
Разработка технологий производства отечественных твердотельных интегральных ЛИА позволит не только заместить импорт аккумуляторной продукции, но и может стать стимулом для разработки отечественного технологического оборудования для производства аккумуляторов. Например, акционерным обществом «НИИ Точного Машиностроения» планируется разработка кластерной системы для изготовления тонкопленочных ЛИА. Широкое использование тонкопленочных технологий в аккумуляторном производстве приведет к созданию новых, экологически чистых предприятий, работающих по так называемой «сухой» технологии.
Еще одним аргументом в подтверждение актуальности темы исследования, являются свойства кремния и ванадия как самых лучших электродных материалов ТТЛИА. Некоторые оксиды ванадия обладают великолепной способностью обратимого внедрения лития в больших количествах. Среди них пентаоксид ванадия с теоретической удельной ёмкостью 883 мА• ч/г . Традиционные материалы для ТТЛИА LiCoO2 , LiFePO4 и LiMn2O4 имеют
ёмкость гораздо ниже. Современные отрицательные электроды производят на основе графита, однако наиболее перспективным является кремний. Теоретически, максимальное количество лития содержит фаза состава Li22Si5, в которой соотношение атомов лития и кремния 4,4:1.
Сравнивая теоретическую удельную ёмкость кремния (4200 мА-ч/г) и графита (372 мА-ч/г), имеющего соотношение атомов лития и углерода 1:6, мы выбираем кремний.
Технология изготовления твердотельных тонкопленочных ЛИА практически ничем не отличается от технологии производства устройств интегральной электроники. Предприятия электронной промышленности РФ обладают оборудованием и технологиями, необходимыми для разработки и производства твердотельных литий-ионных аккумуляторов. Морально устаревшее, но работоспособное технологическое оборудование, сохранившееся во многих учреждениях науки и на предприятиях электронной промышленности, может быть легко переналажено для выпуска твердотельных ЛИА. Таким образом, разработка физико-технологических основ изготовления тонкопленочных ЛИА в интегральном исполнении является актуальной задачей.
Цель и задачи работы
Цель работы - исследование влияния структуры и фазового состава, а также морфологии кремния и нанокомпозитов из него на вредрение и экстракцию лития в слоях ТТЛИА.
Основное преимущество ТТЛИА - малые габариты - достигается за счет уменьшения толщины функциональных слов до 1 - 5 мкм. При этом электродные материалы должны иметь повышенную емкость, чтобы обеспечить приемлемые значения удельной емкости ТТЛИА. Такими качествами обладают пентоксид ванадия, который принадлежит к широкозонным полупроводникам, и кремний. Известно также, что литий является донорной примесью и при литировании-делитировании полупроводниковых электродов их электронная проводимость может изменяться от собственной до металлической. Картина усложняется тем, что при литировании кремний может присоединять до четырех атомов лития на атом, в результате чего возникают механические напряжения, разрушающие кристаллиты кремния. Поэтому кремний стабилен только в отсутствии дальнего порядка, т.е. в аморфном состоянии. Однако при высокой степени литирования механические напряжения в аморфном кремнии также могут приводить к разрушению кремния. Для того чтобы снять механические напряжения и исключить возможность образования фаз с высоким содержанием лития, структуру кремния необходимо дополнительно «разрыхлить» с помощью других его соединений, то есть создать нанокомпозит на основе кремния. В настоящей работе это достигается за счет добавок кислорода и металлов (Л1, 2и) в процессе нанесения кремния. Образующиеся при этом нанокомпозиты состава Si@0@A1 и 81@0@Л1@2и содержат кластеры аморфного кремния, перемешанные на наноуровне с фазой 8Юх, где 1 < х < 2 и кристаллитами А1 и Zn. Внедрение и экстракция лития такой структурой отличается от процессов образования фаз LixSiy,
рассмотренных в разделе 2.2 настоящей работы. Изучение емкостных свойств и стабильности неупорядоченных систем Si@O@Al и Si@O@Al@Zn различной морфологии и пористости составляет основное содержание диссертационной работы.
Нанокомпозитные слои толщиной 1 - 5 мкм обычно наносятся методами PVD (physical vapor deposition) из которых наиболее универсальным является метод магнетронного распыления. Таким образом, свойства отрицательного электрода на основе кремния оказываются зависящими от большого числа параметров магнетронного нанесения. Отсюда следует, что создания отрицательного электрода ТТЛИА высокой емкости и стабильности возможно только путем экспериментального подбора состава нанокомпозита, режимов его нанесения и исследования влияния уровня литирования электрода на его зарядно-разрядные характеристики. Таким образом, исследование влияния физических свойств неупорядоченных систем Si@O@Al и Si@O@Al@Zn на внедрение и экстракцию лития предполагает решение следующих экспериментальных задач:
1. Изучение мирового опыта в исследовании влияния:
• литирования аморфного кремния на его электрофизические характеристики.
• структуры и фазового состава кремниевых нанокомпозитов на процессы интеркаляции
и деинтеркаляции лития.
2. Изготовление экспериментальных образцов тонкопленочных нанокомпозитных электродов состава Si@O@Al и Si@O@Al@Zn.
3. Исследование морфологии, структуры, элементного и фазового состава, а также емкостных характеристик экспериментальных образцов электродов на основе нанокомпозитных пленок Si@O@Al и Si@O@Al@Zn.
4. Изготовление макетов полностью ТТЛИА.
5. Исследование особенностей зарядно-разрядных кривых, обусловленных примесными уровнями в аморфном кремнии и их компенсацией в процессе литирования. Интерпретация полученных результатов с позиций зонной теории проводимости.
Научная новизна
В данной диссертационной работе:
1. Обнаружен эффект появления барьера Шоттки при литировании нанокомпозита на основе аморфного кремния, свидетельствующий об изменении уровня Ферми за счет образования примесных уровней в аморфном кремнии. Барьер Шоттки возникает на каждом цикле заряде отрицательного электрода в процессе его литирования и исчезает при разряде (делитировании) электрода. Этот подтверждает возможность образования донорных примесных уровней в аморфном кремнии.
2. Обнаружен эффект компенсации п-кремния примесью алюминия при магнетронном нанесении нанокомпозита Si@0@A1 с двух мишеней п^ и Л1. Показано, что уровень Ферми нелитированного аморфного кремния в составе нанокомпозита Si@0@A1 находится у нижнего порога щели подвижности. Этот результат подтверждает возможность образования акцепторных примесных уровней в аморфном кремнии.
3. Разработан и изготовлен экспериментальный образец полностью твердотельного тонкопленочного литий-ионного аккумулятора электрохимической системы LixV205-LiP0N-Si@0@A1. Исследованы его зарядно-разрядные характеристики и показано, что экспериментальный образец выдерживает режим заряда-разряда до 100С, а кулоновская эффективность в режиме 2С составляет 94%!
4. Разработан способ получения тонкопленочных, нанокомпозитных анодов электрохимической системы Si@0@A1 с высоким содержанием рентгеноаморфной фазы кремния, имеющих столбчатую структуру. Разработан способ управления удельной емкостью электродных пленок на основе нанокомпозита за счет частичного окисления кремния и введения проводящих добавок. Разработан способ управления пористостью электродных пленок на основе кремния за счет его частичного окисления с последующим травлением в растворе плавиковой кислоты.
Научная новизна работы подтверждается охранными документами на ее основные результаты. В первую очередь это относится к способам формирования функциональных слоев ЛИА и регулирования их емкости.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы определяется уровнем полученных научных и технических результатов, к которым относятся:
• Новые данные о возможности образования примесных Li+ и ЛГ уровней в аморфном кремнии.
• Разработанные методы управления разрядной емкостью нанокомпозитных пленок за счет изменения параметра «х» фазы Si0x, где 1 < х <
• Новые данные зависимости элементного и фазового состава, морфологии нанкокомпозита Si@0@A1 от параметров магнетронного напыления.
• Лабораторная технология магнетронного нанесения отрицательных электродов электрохимических сисем Si@0@A1@Zn и Si@0@A1.
• Высокостабильные (при условии использования твердого электролита) тонкопленочные отрицательные электроды на основе нанокомпозита Si@0@A1 с удельной емкостью до 3000 мАч/г.
• Тонкопленочные отрицательные электроды на основе нанокомпозита Si@O@Al@Zn.
• пористые тонкопленочные отрицательные электроды на основе нанокомпозита
Si@O@Al с удельной емкостью 2000 мАч/г, выдерживающие режимы заряда-разряда 10С.
• Макет полностью твердотельного тонкопленочного литий-ионного аккумулятора
электрохимической системы LixV2O5-LiPON-Si@O@Al.
В ходе исследования разработана лабораторная технология магнетронного напыления тонкопленочного анода на основе нанокомпозита Si@O@Al методом магнетронного распыления. Технология позволяет управлять параметрами отрицательных электродов, изменяя их разрядную емкость в пределах от сотен до 3000 мАч/г. По разработанной технологии изготовлены экспериментальные образцы (прототипы) тонкопленочных анодов и проведены их испытания в макетах полуэлементов с электролитом на основе солей гексафторфосфата и дифтор(оксалато)бората лития.
Технические результаты работы позволяют разработать регламент магнетронного нанесения кремниевого нанокомпозита, обеспечивающий получение пленок необходимого фазового состава и морфологии. Это существенный элемент технологического процесса для нанокомпозита кремния, фазовый состав и структура которого весьма чувствительны к параметрам. Используемая в работе методика комплексного исследования фазового и элементного состава, а также морфологии пленок нанокомпозита кремния может использоваться при серийном производстве тонкопленочных ЛИА для выборочного контроля продукции.
Положения, выносимые на защиту
1. Механизм формирования барьера Шоттки на границе электрод/токоотвод в результате изменения уровня Ферми за счет образования примесных уровней Li+ в процессе литирования и интерпретация особенной зарядно-разрядных кривых ТТЛИА.
2. Эффект образования примесных уровней ЛП в аморфном кремнии в процессе магнетронного нанесения нанокомпозита Si@O@Al, объясняющий высоту барьера Шоттки, возникающего в процессе литирования аморфного кремния.
3. Структура (последовательность слоев) и электрохимическая система полностью твердотельного тонкопленочного литий-ионного аккумулятора, обеспечивающие адгезионное сцепление, высокую удельную емкость, стабильность и кулоновскую эффективность 94%.
4. Способ получения тонкопленочных, нанокомпозитных отрицательных электродов электрохимической системы Si@O@Al с высоким содержанием рентгеноаморфной фазы кремния, имеющих столбчатую структуру. Способ управления удельной емкостью
электродных пленок на основе нанокомпозита за счет частичного окисления кремния и введения проводящих добавок. Способ управления пористостью электродных пленок на основе кремния за счет его частичного окисления с последующим травлением в растворе плавиковой кислоты.
Личный вклад соискателя
Соискателем дана интерпретация зарядно-разрядных кривых макета ТТЛИА электрохимической системы LixV2O5-LiPON-Si@O@Al, по литературным данным определены значения верхнего и нижнего порогов щели подвижности аморфного кремния и показано, что величина барьера Шоттки соответствует разности этих значений.
Соискателем самостоятельно получены и проанализированы СЭМ-изображения (СЭМ Supra 40) поверхности и сколов более чем 40 экспериментальных образцов состава Si@O@Al и Si@O@Al@Zn и свидетелей на кремнии и ситалле. С помощью энергодисперсионной приставки INCAx-act к электронному микроскопу Supra 40 выполнены исследования элементного состава экспериментальных образцов и его зависимости от режимов нанесения пленок. При непосредственном участии соискателя методом рентгеновской дифрактометрии на приборе ARL X'tra получены и проинтерпретированы дифрактограммы экспериментальных образцов отрицательных электродов.
Соискателем исследовано влияние морфологи, элементного и фазового состава пленок Si@O@Al и Si@O@Al@Zn на процессы интеркаляции-деинтеркаляции лития. Выполнен анализ влияния параметров на зарядно-разрядные характеристики пленок и выбраны оптимальные технологические параметры их нанесения. В том числе обнаружено появление особенности в виде ступени на зарядной кривой ТТЛИА.
Соискателем самостоятельно отработан процесс травления пленок Si@O@Al в растворе состава HF: NH4F: H2O и изготовлена серия экспериментальных образцов с
различным временем обработки в травителе. Выполнены исследования зависимости морфологии поверхности и скола пленки от времени травления методом сканирующей электронной микроскопии. Дана интерпретация результатов исследования электрохимических ёмкостных параметров экспериментальных макетов полуэлементов ТТЛИА, обработанных травителем, полученных с помощью потенциостата Р-20Х8 и автоматизированного комплекса АЗРИВК1-0,05А-5В.
При непосредственном участии соискателя подготовлены макеты полуэлементов для испытания экспериментальных образцов с разным временем травления в электролитах на основе солей гексафторфосфата лития (LiPF6) и дифтор(оксалато)бората лития (LiDFOB). Выполнены испытания зарядно-разрядных характеристик электродов в составе макетов
полуэлементов и дана интерпретация полученных результатов. Исследовано изменение морфологии функциональных слоев макета ТТЛИА электрохимической системы LixV2O5-LiPON-Si@O@Al в процессе циклирования заряд-разряд.
Достоверность результатов
Корректность результатов диссертационного исследования гарантирована применением специализированного научного оборудования и научнообоснованных методов. Использовано оборудование, находящееся на балансе интегрированного центра коллективного пользования научным оборудованием ЦКП ДМНС (www.nano.yar.ru), в том числе СЭМ Supra 40, СЭМ Quanta 3D 200i, рентгеновский дифрактометр ARL-X'tra, спектрометр EnSpectr R532, комплекс АЗРИВК1-0,05А-5В. Исследования с применением методов сканиующей электронной микроскопии, энергодиссперсионного, рентгеноструктурного, рентгенофазового анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния, импеданс-спектроскопии, и гальваностатического циклирования выполнены в соответствии со стандартными и авторскими методиками. Расшифровка экспериментальных результатов фазового состава плёнок Si@O@Al выполнена на основе международной базы International Centre for Diffraction Data Powder diffraction File ICDD PDF-2 2009 и/или ICDD PDF-2
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физика конденсированного состояния», 01.04.07 шифр ВАК
Разработка основ технологии формирования электродов тонкопленочного литий-ионного аккумулятора методом магнетронного распыления2017 год, кандидат наук Федоров, Иван Сергеевич
Разработка технологии изготовления материалов для электродов литиевых источников тока с повышенными эксплуатационными характеристиками2017 год, кандидат наук Новиков Павел Александрович
Необратимые процессы на электродах литий-ионного аккумулятора2011 год, доктор химических наук Кулова, Татьяна Львовна
Технологические основы создания модифицированных катодных материалов на основе оксида хрома (VI) для литиевого аккумулятора2005 год, кандидат технических наук Ничволодин, Алексей Геннадиевич
Структура и свойства тонких пленок ZrO2:Y2O3, формируемых методом магнетронного распыления2018 год, кандидат наук Шипилова, Анна Викторовна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния структуры и фазового состава нанокомпозитов на основе кремния на процессы внедрения и экстракции лития»
Апробация работы
Основные результаты данной диссертационной работы доложены на научных конференциях, научных школах и конкурсах научных работ молодых учёных:
1. III Международная молодежная научная школа-конференция МИФИ «Современные проблемы физики и технологий» (Москва, 2014).
2. Национальная молодежная научная школа «СИН-нано-2015» (НИЦ «Курчатовский институт», 2015).
3. Вторая Всероссийская молодежная конференция с международным участием «Инновации в материаловедении» (Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, 2015).
4. V Международная научно-практическая конференция «Образовательный, научный и инновационный процессы в нанотехнологиях» (Курск, 2015).
5. 2nd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint-Petersburg OPEN 2015" (Санкт-Петербург, 2015).
6. 53-я Международная научная студенческая конференция МНСК-2015: Информационные технологии (Новосибирск, 2015).
7. Всероссийский Форум «Наука будущего - наука молодых» (Севастополь, 2015)
8. Первый Всероссийский нанотехнологический инженерный конкурс для студентов и аспирантов (Москва, 2015).
9. Ярославский энергетический форум (Ярославль, 2015).
10. VI Региональный конкурс бизнес-идей «Молодость-Эрудиция. Стимул-Инновация» (Ярославль, 2015).
11. VIII Внутривузовский конкурсный отбор проектов молодых учёных «Молодёжь и Наука» (Ярославль, 2016).
12. 3rd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint-Petersburg OPEN 2016" (Санкт-Петербург, 2016).
13. Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2016 (Москва, 2016).
14. International conference "Micro- and Nanoelectronics - 2016". (ICMNE-2016) (Москва-Звенигород, 2016).
15. IV Международная молодёжная летняя школа RACIRI-2016 (Санкт-Петербург, Репино, 2016).
16. XIV международная конференция «Topical Problems of Energy Conversion in Lithium Electrochemical Systems» (Суздаль, 2016).
17. IV Международная школа-конференция Saint-Petersburg OPEN 2017 (Санкт-Петербург, 2017).
18. XXIII Международная конференция Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2017 (Москва, 2017).
19. IV Всероссийская конференция с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» (Суздаль, 2017).
20. VII Международной школе-конференции Saint-Petersburg OPEN 2020 (Санкт-Петербург, 2020).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 7 - публикации в рецензируемых изданиях, индексируемых базами Web of Science и Scopus и входящих в перечень ВАК Минобрнауки России:
1. Silicon-based porous nanocomposite thin-films as an active anode material for lithium-ion batteries / L.A. Mazaletskiy, A.S. Rudy A.V. Metlitskaya // Journal of Physics: Conference Seriesю - 2016. - V. 741. - P. 012180 doi:10.1088/1742-6596/741/1/012180.
2. Тонкопленочный положительный электрод на основе оксидов ванадия для литий-
ионных аккумуляторов / С.В. Васильев, В.Н. Геращенко, Т.Л. Кулова, М.Е. Лебедев, Л.А. Мазалецкий, А.В. Метлицкая, А.А. Мироненко, С.Б. Московский, Н.Ф. Никольская, Д.Э. Пухов, А.С. Рудый, А.М. Скундин, В.А. Сологуб, И.С. Федоров, А.Б. Чурилов // Микроэлектроника. - 2016. - Т. 45, № 5. - С. 363-373, doi: 10.7868/S0544126916050112.
3. Разработка технологии магнетронного нанесения плёнок LiPON и исследование их характеристик / С.В. Васильев, М.Е. Лебедев, Л.А. Мазалецкий, А.В. Метлицкая, А.А. Мироненко, В.В. Наумов, А.В. Новожилова, А.С. Рудый, И.С. Федоров // Микроэлектроника. - 2017. - Т. 46, № 6. - С. 462-471, doi: 10.7868/S0544126917060084.
4. The study of effect of solid electrolyte on charge-discharge characteristics of thin-film lithium-ion batteries / M.E. Lebedev, L.A. Mazaletskiy, A.A. Mironenko, V.V. Naumov, A.V. Novozhilova, I.S. Fedorov, A.S. Rudy // Journal of Physics: Conference Series. - 2017. - V. 917. -P. 032030 doi: 10.1088/1742-6596/917/3/032030.
5. Исследование динамики релаксационной поляризации твердого электролита LiPON / А.С. Рудый, М.Е. Лебедев, А.А. Мироненко, Л.А. Мазалецкий, В.В. Наумова, А.В. НовожиловаЬ, И.С. Федоров, А.Б. Чурилов // Микроэлектроника. - 2020, Т. 49, № 4. - С. 1-14, DOI: 10.31857/S0544126920040092.
6. Amorphization of Vanadium Oxides during the Reversible Insertion of Lithium / A. M. Skundin, A. A. Mironenko, A. S. Rudyi, I. S. Fedorov, S. V. Vasiliev, L. A. Mazaletsky, Yu. S. Tortseva, and O. E. Kuznetsov. // Russian Microelectronics. - 2020. - Т. 49, N. 6, С. 416-422 doi: 10.1134/S1063739720050091
7. Characteristics of an all-solid-state lithium-ion battery prototype / L.A. Mazaletskiy, I.S. Fedorov, A.A. Mironenko, V.V. Naumov, A.S. Rudy, J.S. Tortseva // Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - V. 1695. - P. 012193 doi: 10.1088/1742-6596/1695/1/012193
Часть результатов работы опубликована отчетах о прикладных научных исследованиях по Соглашениям № 14.574.21.0099 от 26.08.2014 и № 05.604.21.0230 от 20.11.2019.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Литий-инонные аккумуляторы на тонких плёнках. Основные этапы развития технологии
Самые первые предложения по возможному применению литий-ионных аккумуляторов были высказаны в начале пятидесятых годов 20-го века, но только в начале 1970-х годов началась коммерциализация принципиально нового типа химического источника энергии, а именно литиевых элементов с неводными электролитами, которые впоследствии получили очень широкое распространение. Таким образом, осуществилась давняя мечта специалистов в области электрохимии, о химическом источнике энергии с наиболее активным металлическим восстановителем, то есть щелочным металлом. Действительно, литий является самым электроотрицательным из элементов в ряду напряжения металлов и одновременно имеет самую высокую удельную емкость. Использование такого восстановителя позволило повысить как рабочее напряжение источника тока, так и его плотность энергии.
В конце 1980-х компания Sony начала серийный аккумуляторов первого поколения, у которых анод был изготовлен из лития, а катод - из оксидов металлов. Основной недостаток этих аккумуляторов состоял в образовании в процессе эксплуатации дендритных структур на аноде, которые пробивали слой электролита, что приводило к короткому замыканию и взрыву.
Следующие литиевые аккумуляторы использовали в качестве анода углерод, а в роли катода - кобальтит лития Lit_xCoO2, теоретическая емкость которого составляет 280 мА ч/г. Сама электрохимическая система была разработана в Оксфордском университете, тогда как использование кобальтита лития в качестве положительного электрода впервые было предложено Джоном Гуденафом, лауреатом Нобелевский премии по химии 2019 года. Применение графита позволило устранить главный недостаток литий-ионных аккумуляторов - формирования дендритных структур лития, которые образовавшись на литиевом аноде, прорастали через сепаратор и накоротко замыкали электроды. Однако кобальтит лития имеет следующий серьезный недостаток. LiCoO2 - это двойное соединение, состоящее из двух оксидов - оксида лития и трёхвалентного оксида кобальта. В процессе экстракции Li отдельные ионы Co получают дополнительный ион, и образуются четырёхвалентные оксиды кобальта. Примем степень экстракции лития за «х» в стехиометрической формуле кобальтита лития Lil xCoO2. Тогда при x < 0,5 процессы внедрения и экстракции лития будут обратимы,
и структура композита будет восстановливаться. Пороговое значени х=0,5 является тем значением степени экстракции лития, выше которого катодный материал не будет принимать литий и будет происходить уменьшение ёмкости ЛИА. Поэтому «x» всегда ограничивается величиной потенциала на катоде. Таким образом, практическая обратимая емкость кобальтита лития не превышает половины от теоретической и составляет 140 мАч/г. В настоящее время
разработаны способы стабилизации кобальтита лития, позволяющие деинтеркалировать литий до x = 0,7 и повысить ёмкость катодного материала до 200 мАч/г.
Тем не менее в 2003 году американские учёные из MIT (Массачусетского технологического института) предложили электрохимическую систему, теперь уже третьего поколения, в которой в качестве материала положительного электрода использовался феррофосфат лития (LiFePO4). Хотя удельная плотность энергии феррофосфата лития сравнительно невелика и составляет всего 150 мА-ч/г, он позволяет осуществлять глубокую экстракцию лития, оставаясь при этом химически стабильным. Благодаря устойчивости феррофосфата лития, третье поколение аккумуляторов оказалось более безопасным при использовании и производстве, но не очень-то эффективным химическим источником тока.
Как следует из сказанного, дальнейшее повышение емкости литий-ионных аккумуляторов ограничено обратимой емкостью материалов положительного электрода. Из них максимальную емкость имеет пентоксид ванадия, но он не стабилен и при интеркаляции-деинтеркаляции лития образует множество фаз, имеющих меньшую емкость. Ожидать какого-либо прорыва в области разработки новых высокоёмких и стабильных катодных материалов пока не приходится. В то же время в последние годы существенно выросла активность в области создания полностью твердотельных тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА). Наиболее широко ТТЛИА используются в смартфонах (~25% от всех ТТЛИА), наручных гаджетах (~30%) и трансдермальных пластырях (~25%), обычно объединяемых под общим названием «носимая электроника». ТТЛИА для устройств радиочастотной идентификация (RFID-метки) и смарт-карт составляют менее 10% от объема рынка ТТЛИА, который в настоящее время оценивается в $22 млн. Согласно прогнозам компании IDTechEx к 2025 году рынок ТТЛИА вырастет до $109 млн, а к 2030 году - и до $500 млн. Главные потребители ТТЛИА - это производители сенсоров, микророботов, любой гибкой электроники, имплантатов и так далее.
В конце прошлого столетия информация о тонких планарных аккумуляторах появилась сразу же после того, как сотрудники Oak Ridge National Laboratory (ORNL) J.B. Bates и другие сообщили о создании твердого электролита LiPON [1]. LiPON - это сокращенное (от lithium phosphorus oxynitride), а теперь уже и промышленное, название фосфор-оксинитрида лития, получаемого путем магнетронного нанесения ортофосфата лития в потоке азота. Почти одновременно работы по созданию ТТЛИА начались в нескольких исследовательских центрах Японии [8-11], Южной Корее [7] и США [1-6]. Создание LiPON стало прорывом в разработке ТТЛИА, в результате которого ряд компаний в течение коротко промежутка времени освоил производство ТТЛИА в промышленных масштабах. Спустя 10 лет, а именно в 2004 году появились первые сообщения о гибких литий-ионных аккумуляторах [12]. Современные
технологии позволяют создавать гибкие интегральные схемы и дисплеи, поэтому появление гибких ТТЛИА снимает последнее препятствие на пути разработки гибких гаджетов, таких как смартфоны, планшеты и т.д.
Технологические процессы масштабного изготовления традиционных («намазных») ЛИА сегодня достаточно унифицированы. Разработаны и реализуются проекты аккумуляторных производств от 500 МВтч/год до 1 ГВтч/год (т.н. Gygafactory) и выше. Например, в Европе наиболее известны проекты компания EXYTE (M+W Group). Разработаны и широко используются автоматические линии по сборке аккумуляторов вплоть до заправки жидким электролитом (до недавнего времени эта операция не была полностью автоматизирована). Все эти производства основаны на хорошо известных электрохимических системах.
Но если в промышленных литий-ионных аккумуляторах используется сравнительно небольшое число рассмотренных выше электрохимических систем, то количество систем тонкопленочных аккумуляторов, находящихся в стадии разработки, весьма велико. К настоящему времени предложено так много различных систем и технологий для их реализации, что эта тема требует отдельного рассмотрения. Ниже приводится обзор современных тонкопленочных ЛИА. В нём акцент сделан на технологию синтеза электродных материалов, в том числе наноматериалов, и изготовление аккумулятора в целом.
1.2. Электрохимические системы тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов
Пионером разработки ТТЛИА была исследовательская лабораторния фирмы Hitachi. Отрицательным электродом, как и в первых аккумуляторах, стал металлический литий, а в качестве положительного электрода был предложен дисульфид титана. Неорганическое соединение LI3 gSlg 6P0 4O4 использовалось как твёрдый электролит [10].Позже компания
Eveready Battery Co. применила оксидно-сульфидный электролит, а в качестве электродов -дисульфид титана и литий [6]. Характеристики аккумуляторов были следующие: напряжение разомкнутой цепи - 2,5 В, максимальная плотность тока - 135 мкА/см2. Разработки ТТЛИА данной электрохимической системы просуществовали не долго, компания Eveready Battery Co достаточно быстро прекратила выпуск таких ЛИА [13].
Разработка LiPON, отличавшегося высокой стабильностью и большим потенциальным окном (до 4,5 В) при достаточно высокой ионной проводимости, послужила толчком к разработке ТТЛИА уже на основе нового электролита [1]. Естественно, что первыми в этой серии ТТЛИА были разработки ORNL. Аноды изготавливались, как и раньше из металлического лития, а катодами служили кристаллическя шпинель LixMn2O4 или аморфный V2O5. Японские исследователи [9, 10] описывают ТТЛИА с литиевым отрицательным, V2O5
положительным электродами и электролитом LiPON. Этот электролит представлял из себя аморфный материал, синтезированный в той же Oak Ridge National Laboratory. В работах [9,10] описан еще один пример использования электрохимической системы Li - LiPON - V2O5 японскими разработчиками ТТЛИА.
Как уже отмечалось выше, пентоксид ванадия, который первоначально использовался в качестве положительного электрода в разработках ORNL, не оправдал ожиданий. Дело в том, что получить однофазные пленки V2O5 методом магнетронного распыления ванадия в потоке
кислорода (а именно этот метод наиболее широко используется для получения пленок состава V-O) хотя и возможно, но крайне сложно. Обычно свеженанесенные пленки V-O проходят дополнительный кислородный отжиг, после чего с помощью рентгенофазового анализа можно выделить в них набор оксидов с общей формулой VnO2n+1 и VnO2n-1. Такие соединения как VO, V2O3, VO2, V3O7, V6O13, обладают более низким сопротивлением чем у V2O5, что улучшает проводимость пленок, но имеют значительно меньшую емкость [2]. По этой причине многие исследователи были вынуждены отказаться от дальнейшей разработки катодов на основе пентоксида и высших оксидов ванадия. Так сотрудниками ORNL в последующих разработках использовался кобальтит лития. Поскольку кобальтит лития также, как и пентоксид ванадия относится к широкозонным полупроводникам, т.е. плохим проводникам тока, для его нанесения используется метод магнетронного ВЧ-распыления [2,
3, 16].
В качестве одного из применений ТТЛИА предполагалось их использование в роли систем, встраиваемых в интегральные микросхемы (ИМ) и микроэлектромеханические системы (МЭМС). Если в микроэлектронике встраиваемой системой называют микропроцессор, интегрированный в устройство, которым он управляет, то здесь уже концепция ТТЛИА разрабатывается под интегральную микросхему или МЭМС. Поскольку основные технологические операции изготовления ИМ это PVD нанесение функциональных слоев, то при их выполнении слои нагреваются до температур, превышающих температуру плавления лития. Поэтому для использования ТТЛИА в качестве встраиваемых систем нужны анодные материалы с более высокой температурой плавления. Сотрудниками ORNL были разработаны более стабильные анодные материалы на основе нитридов цинка Z^N2 и олова
Sn3N4, а также SiTON - оксинитрид кремния-олова состава SiSn0,87O1,20N1,72 [17].
Еще одной любопытной разработкой ORNL стали «lithium free cells» - аккумуляторы без лития [18]. Идея безлитиевого аккумулятора позволяет обойти ограничения, налагаемые PVD технологией на материалы ТТЛИА. Суть идеи состоит в том, что в конструкции ТТЛИА изначально полностью отсутствует отрицательный электрод, а твердый электролит наносится
непосредственно на медный токоотвод. При этом катодный слой, например, кобальтита лития, который напыляется на электролит, имеет избыточную толщину. После того как завершены все технологические процессы начинается первая зарядка аккумулятора: выходящие из катода ионы лития создают тонкий металлический слой на медном токоотводе. Этот слой в дальнейшем и выполняет роль анода. При этом как обеспечивается адгезионное сцепление слоя лития с токоотводом и электролитом в [18], как и более ранних работах этой группы, где описано осаждение слоя лития на платиновый электрод системы Pt-LiPON-Pt, не объясняется. Еще одним примером разработки тонкопленочного аккумулятора в качестве встроенной системы для ИМ являются аккумуляторы Li-LiPON-LiCoO2 [19] научно-исследовательской лаборатории реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory).
Разработчики компании NTT из Японии (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) [20], стараясь получить как можно более высокую ёмкость катодных плёнок, сделали ставку на MoO3_ x, анод из металлического лития, а так же электролит на основе силиката ванадия.
Созданный аккумулятор показал разрядную емкость 290 мкА • ч / см , превышающую ёмкости всёх предыдущих электрохимических систем (при плотности тока разряда
10 мкА/см2).
В ещё одной работе исследователй из Японии описывается разработка аккумулятора следующей электрохимической системы: катод на основе кристалличесткого кобальтита лития, анод из аморфного оксида олова SnO и аморфный твёрдый электролит Li2O-V2O5-SiO2 (LVSO) [21]. Все функциональные слои аккумулятора наносились методом импульсного лазерного напыления. Аморфная тонкая пленка LVSO, приблизительный состав которой был оценен как Li2,2Vo,54Sio,46O3,4 [22], по данным
_7 _ 1
импеданс-спектроскопии имела ионную проводимость 2,5 • 10 См • см при температуре 25° C и энергии активации 0,54 эВ. ТТЛИА имел напряжение холостого хода при полной зарядке около 2,7 В и продемонстрировал высокую кулоновскую эффективность на протяжении 100 цтклов заряда-разряда в диапазоне от 0 до 3,3 В.
Функциональные слои ТТЛИА, нанесенные PVD методами, обладают некоторой гибкостью, т.е. могут скручиваться в цилиндры диаметром до 1,5 - 2 см. Однако их многократное сгибание-разгибание приводит к отслаиваю пленок и уменьшению емкости ТТЛИА. Для изготовления гибких аккумуляторов, которые могут выдерживать многократные сгибания, работе [23] методом электрополимеризации были получены высокоэластичные, композитные пленки полипиррола (PPY) и PPy - LiFePÜ4 . Пленки, по утверждения авторов работы получались мягкими, легкими, механически прочными и обладали высокой электропроводностью. Исследования пленок в ячейке с литиевым противоэлектродом
показало, что электрохимические характеристики чистого полипиррола существенно улучшаются за счет включений катодного материала LiFePO4. Ячейка с композитной пленкой РРу-^иРеР04 имела более высокую разрядную емкость после 50 циклов (80 мА-ч/г), чем ячейка с чистым РРу (60 мА-ч/г). В работе отмечается, что пленки могут использоваться в качестве электродных материалов для эластичных ТТЛИА, предназначенных для гибкого портативного электронного оборудования.
Еще один пример применения пентоксидов, на сей раз ванадия и ниобия, описан в [24]. В качестве анода в этой работе применялась пленка оксида ниобия, напылённая высокочастотным магнетроном в атмосфере аргона из мишени №205. После нанесения оксидная пленка подвергалась термообработке при температуре от 500 до 700°С. По данным сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии пленка представляла собой моноклинный №205, сильно ориентированный вдоль оси с, перпендикулярной подложке. Испытания пленок в составе макетов аккумуляторов с катодом из пентоксида ванадия в одномолярном растворе ЫС104 в пропиленкарбонате показали, что они обратимо интеркалируют и деинтеркалируют литий. Кинетика процесса внедрения лития в пленку ЯЬ205 была исследована с использованием метода импедансной спектроскопии. В качестве еще одного примера работ по оксидам ниобия можно привести результаты исследовательского центра фирмы Оеоша1ее [25]. Первоначально этот центр разрабатывал систему У205-ЫР0К-ЫМп204 [26, 27], где роль отрицательного электрода выполнял У205, а
впоследствии переключился на систему К205-ЫР0К-ЫМп204. По всей вероятности, эти результаты не нашли практического применения, так как в современных промышленных ТТЛИА оксид ниобия не используется.
Завершает этот обширный перечень электрохимических систем ТТЛИА работа [28]. В ней сообщается о разработке литий-ионной стеклокерамики с высокими эксплуатационными характеристиками. Эта стеклокерамика имеет кристаллическую структуру Ь11+х+уА1хТ12—х81уР3—у012 типа NASIC0N [29, 30] и при комнатной температуре
_3 _1
демонстрирует высокую литий-ионную проводимость 10 См • см и даже выше. Поскольку этот материал стабилен на открытом воздухе и даже при воздействии влажного воздуха, авторы полагают, что ему найдется множество применений, в том числе в качестве электролита для ТТЛИА. Литий-ионная стеклокерамика в качестве электролита испытывалась в составе аккумулятора с положительным электродом ЫСо02 и отрицательным электродом Ы4Т15012, который показал хорошие зарядно-разрядные характеристики
Таким образом, число электрохимическим систем, используемых при разработке тонкопленочных ЛИА достаточно велико. Число систем, используемых на практике и в
19
промышленном производстве тонкопленочных твердотельных ЛИА, как уже отмечалось ранее и о чем речь пойдет в разделе 1.5, существенно ниже. Далее рассматриваются материалы, используемые в тонкопленочных литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательных электродов и твердых электролитов.
1.3. Тонкопленочные отрицательные электроды
Первые тонкопленочные отрицательные электроды [31] разрабатывались в качестве альтернативы углеродным электродам. Электродный материал представлял собой аморфный сложный оксид на основе олова (TCO) содержащий Sn(II)-O в качестве активного центра для внедрения лития и других стеклообразующих элементов, формирующих оксидную сетку. В начальном цикле зарядная емкость TCO достигла 1030 мА-ч/г, что соответствует примерно 8 молям лития на один моль TCO. Из них примерно 700 мА-ч/г уходило на восстановление SnO с образованием металлического олова и оксида лития. Последующие процессы экстракции Li до напряжения 1,2 В показали кулоновскую емкость 650 мА-ч/г (т.е. 5 моль Li на моль ТСО), что соответствовало потере начальной разрядной емкости на 37%. Этот показатель сохранялся и для последующих циклов с почти 100% кулоновской эффективностью. Полученная обратимая емкость электрода ~600 мА-ч/г соответствует объемной удельной емкости
2200 мА • ч / см , что почти в два раза превышает емкость современных углеродных
материалов ( 1200 мА • ч / см или 500 мА• ч/ г ).
Своего рода итог работам по исследованию электродов на основе цинка был подведен в обзоре [32], где рассматривались достижения в этой области с особым акцентом на приготовление и эксплуатационные характеристики тонких пленок из чистого Sn, сплава на основе Sn и оксида Sn. Из этого обзора можно сделать несколько выводов о свойствах тонкопленочных анодов на основе олова. Тонкие пленки из чистого олова обладают высокой обратимой емкостью, но очень плохой циклируемостью из-за огромных изменений объема, которые сопровождают интеркаляцию-экстрацию лития. Рабочие характеристики тонких интерметаллических пленок на основе Sn могут быть улучшены за счет их легирования неактивными переходными металлами. В отличие от анодов, в которых Sn легирован неактивными переходными металлами, нанокомпозитные пленки на основе Sn обеспечивают высокую емкость с улучшенными характеристиками за счет включения активных элементов. По сравнению с анодами из чистого Sn, тонкие пленки оксидов на основе олова демонстрируют существенно лучшую циклируемость из-за образования нанодисперсоидов Sn в матрице Li2O, хотя при этом наблюдается довольно большая начальная необратимая потеря емкости. Существенного улучшения характеристик анодов удалось достичь и благодаря надстройке микро- и наноструктур активных материалов. Основываясь на прогрессе, который
уже достигнут в изучении взаимосвязи свойств и микроструктуры тонкопленочных анодов на основе Бп, сделан вывод, что методы дальнейшего повышения емкости и циклируемости тонкопленочных анодов из сплавов на основе Бп должны базироваться на манипулирование многофазными и многомасштабными структурами.
В работах [33-35] описаны оригинальные отрицательные электроды ЛИА, представляющие альтернативу обычным отрицательным электродам на основе углеродных материалов. Такие аноды изготавливались по технологии, похожей на технологию производства оксиднорутениево-оксиднотитановых анодов (ОРТА), широко применяемых в производстве хлора. Электроды представляли из себя смешанные на молекулярном уровне оксиды олова и титана в виде тонких (субмикронных) плёнок на титановой подложке. Свежеизготовленные электроды состояли из твёрдого раствора оксидов олова и титана и некоторого избытка аморфного диоксида олова. На этапе первого заряда электрода происходило восстановление диоксида олова с образованием нанокристаллов металлического олова, способного к обратимому внедрению лития. Помимо этого, литий обратимо внедрялся в смешанный оксид с образованием соединения внедрения Ых(8пТ1)02. Электроды имели удельную ёмкость по внедрению лития более 500 мА-ч/г (почти вдвое больше, чем у электродов на основе углеродных материалов), практически не зависящую от тока нагрузки, благодаря наноструктурному характеру.
Близкие по своим характеристикам тонкопленочные аноды из композитов Sn-Li20 получены и исследованы в работе [36]. Тонкие пленки Бп02 с поликристаллической
структурой имеют ряд недостатков, таких как необратимая побочная реакция при потенциале 0,8 В относительно Li/Li+, причем обратимое внедрение лития на первом цикле составляет около 29%, и плохую циклируемость в диапазоне напряжений отсечки от 0 до 1,2 В. Для повышения емкостной стабильности анодов на основе оксидов олова в работе использовался нанокомпозит Бп@^0, изготовленный послойным нанесением Бп (70 нм) и Li20 (60 нм) методом магнетронного распыления. Сравнение электрохимических характеристик тонких пленок и чистого Бп02 показало, что в многослойной композитной тонкой пленке
Похожие диссертационные работы по специальности «Физика конденсированного состояния», 01.04.07 шифр ВАК
Разработка и исследование пленочного литиевого аккумулятора2014 год, кандидат наук Савостьянов, Антон Николаевич
Кремниевые аноды для литий-ионных аккумуляторов2023 год, кандидат наук Ложкина Дарина Андреевна
Полимерные электролиты на основе катионообменных мембран для литиевых и натриевых аккумуляторов2022 год, кандидат наук Воропаева Дарья Юрьевна
Окислительно-восстановительные реакции кислорода на поверхности углеродных электродов литий-воздушных аккумуляторов2013 год, кандидат наук Семененко, Дмитрий Александрович
Научные основы технологии получения катодно-синтезированных сплавов системы CuPbBiCa как эффективного электродного материала кальций-ионных аккумуляторов2018 год, кандидат наук Хромченко, Оксана Николаевна
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мазалецкий Леонид Алексеевич, 2022 год
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bates J.B. et al. Thin-film rechargeable lithium batteries // J. Power Sources. - 1995. -T.54.- C. 58-62.
2. Wang B. et al. Characterization of thin-film rechargeable lithium batteries with lithium cobalt oxide cathodes // J. Electrochem. Soc. - 1996. T.143. - C. 3203-3213.
3. Bates J.B. et al. Thin-film lithium and lithium-ion batteries // Solid State Ionics, - 2000. - T. 135. - C. 33-45.
4. Dudney N.J. Solid state thin-film lithium battery systems / N.J. Dudney, B.J. Neudecker // Current Opinion in Solid State @ Materials Science. - 1999. T.4. - C. 47-482.
5. Oak Ridge National Laboratory [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ornl.org. - Дата доступа: 10.04.2020.
6. Jones S. D. A thin film solid state microbattery / S. D. Jones and J.R. Akridge // Solid State Ionics. - 1992. - T. 53-56. - C. 628-634.
7.Samsung SDI [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.samsungsdi.com -Дата доступа: 10.04.2020.
8. Takada, K. Electrochemical behaviors of Li+ ion conductor, Li3PO4-Li2S-SiS2 / K. Takada, N. Aotani, S. Kondo // J. Power Sources. - 1993. - T. 43, N 1-3. - C. 135-141.
9. M. Baba et al. Fabrication and electrochemical characteristics of all-solid-state lithiumion batteries using V2O5 thin films for both electrodes // Electrochemical Solid-State Letters. -1999. - T. 2, N 7. - C. 320-322.
10. N. Kumagai et al. Intercalation of lithium in r.f.-sputtered vanadium oxide film as an electrode material for lithium-ion batteries // J. ACl. Electrochem. - 1998. -T. 28. - C. 41-48.
11. Kanehori K. et al. Thin film solid electrolyte and it's aClication to secondary lithium cell // Solid State Ionics. - 1983. - T. 9-10. - C. 1445-1448.
12. Meet Philips Research [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.research.philips.com - Дата доступа: 10.04.2020.
13. EVEREADY [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.eveready.com -Дата доступа: 10.04.2020.
14. Bates J.B. et al. Fabrication and characterization of amorphous lithium electrolyte thin films and rechargeable thin-film batteries // J. Power Sources. -1993. -T. 43. - C. 103-110.
15. Yu X. et al. A stable thin-film lithium electrolyte: Lithium phosphorus oxynitride // J. Electrochem. Soc. - 1997. - T. 144. - C. 524-532.
16. Bates J.B. et al. Preferred orientation of polycrystalline LiCoO2 films // J. Electrochem. Soc. - 2000. - T. 147. - C.59-70.
17. Neudecker B.J. et al. Lithium silicon tin oxynitride (LiySiTON): high-performance
anode in thin-film lithium-ion batteries for microelectronics // J. Power Sources. - 1999. - T. 8182. - C. 27-32.
18. Neudecker B.J. et al. "Lithium-free" thin-film battery with in situ plated Li anode // J. Electrochem. Soc. - 2000. - T.147, N 2. - C. 517-523.
19. J.F. Whitacre et al. Crystallographically Oriented Thin-Film Nanocrystalline Cathode Layers Prepared Without Exceeding 300°C // J. Electrochem. Soc. - 2001. - T. 148, N 10. - C. A1078-A1084.
20. Ohtsuka H. Characteristics of Li/MoO3-x thin film batteries / H. Ohtsuka, and Y. Sakurai // Solid State Ionics. - 2001. - T. 144, - C. 59-64.
21. Kuwata N. et al. Thin-film lithium-ion battery with amorphous solid electrolyte fabricated by pulsed laser deposition // Electrochem. Comm. - 2004. - T. 6, N 4. - C. 417-421.
22. Ohtsuka H. Electrical characteristics of Li2O-V2O5-SiO2 thin films / H. Ohtsuka, J. Yamaki. // Solid State Ionics. - 1989. - T. 35 - C. 201-206.
23. J.-Zh. Wang et al. Paper-like free-standing polypyrrole and polypyrrole-LiFePO4 composite films for flexible and bendable rechargeable battery // Electrochem. Comm. - 2008. -T. 10, N 11. - C. 1781-1784.
24. N. Kumagai et al. Intercalation of lithium in r.f.-sputtered niobium oxide film as electrode material for lithium-ion batteries // J. Power Sources. - 1995. - T. 54, N 2. - C. 175179.
25. Сайт компании Geomatec [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.geomatec.co.jp -Дата доступа: 10.04.2020
26. Nakazawa H. et al. Charge-discharge characteristics of all-solid-state thin-filmed lithium-ion batteries using amorphous Nb2O5 negative electrodes // J. Power Sources. - 2007. -T. 174, N 2. - C. 838-842.
27. Baba M. et al. Fabrication and electrochemical characteristics of all-solid-state lithium-ion rechargeable batteries composed of LiMmO4 positive and V2O5 negative electrodes // J. Power Sources. - 2001. - T. 97-98. - C. 798-800.
28. Inda Y. et al. Development of all-solid lithium-ion battery using Li-ion conducting glass-ceramics // J. Power Sources. - 2007. - T. 174, N 2. - C. 741-744.
29. Fu J. Superionic conductivity of glass-ceramics in the system Li2O-AhO3-TiO2-P2O5 // Solid State Ionics. - 1997. - T. 96. - C. 195-200.
30. Fu J. Fast Li+ ion conduction in Li2O-(AhO3 Ga22O3)-TiO2-P2O5 glass-ceramics // J. Mater. Sci. - 1998. - T. 33, N 6. - C. 1549-1553.
31. Idota Y. et al. Tin-Based Amorphous Oxide: A High-Capacity Lithium-Ion-Storage Material // Science. - 1997. - T. 276, N 5317. - C. 1395-1397.
32. Hu, R., Liu, H., Zeng, M. et al. Progress on Sn-based thin-film anode materials for lithium-ion batteries. Chin. Sci. Bull. 57, 4119-4130 (2012).
33. Кулова Т. Л. Интеркаляция лития в наноструктурированные пленки на основе оксидов олова и титана / Т. Л. Кулова, А. М. Скундин, Ю. Е. Рогинская [и др.] // Электрохимия. - 2004. - Т. 40. - С. 484-492.
34. Vassiliev S. Nanostructured SNO2-TIO2 films as related to lithium intercalation // J. Solid State Electrochemistry. - 2005. - T. 9, N 10. - C. 698-705.
35. Кулова Т. Л. Потенциодинамическое исследование наноструктурированного материала на основе оксидов олова т титана / Т.Л. Кулова, Ю.Е. Рогинская, А.М. Скундин // Электрохимия. - 2005. - Т. 41, N 1. - С. 76-82.
36. Lee J.J. et al. Characteristics of Sn/Li2O multilayer composite anode for thin film microbattery // J. Power Sources. - 2008. - T. 178, N 1. - C. 434-438.
37. Zhao L.Z. et al. Effects of graphite on electrochemical performance of Sn/C composite thin film anodes // J. Power Sources. - 2008. - T. 184, N 2. - C. 481-484.
38. M. Marcinek M. et al. Microwave plasma chemical vapor deposition of nano-structured Sn/C composite thin-film anodes for Li-ion batteries // J. Power Sources. - 2007. - T. 173, N 2. - C. 965-971.
39. Marcinek M. Microwave plasma chemical vapor deposition of nano-composite C/Pt thin-films / M. Marcinek, X. Song, R. Kostecki // Electrochem. Comm. - 2007. - T. 9, N 7. - C. 1739-1743.
40. Hu R. Z. et al. Microstructure and electrochemical properties of electron-beam deposited Sn-Cu thin film anodes for thin film lithium ion // Electrochimica Acta. - 2008. - T. 53, N 8. - C. 3377-3385.
41. Morales J. et al. Nanostructured CuO thin film electrodes prepared by spray pyrolysis: a simple method for enhancing the electrochemical performance of CuO in lithium cells // Electrochimica Acta. - 2004. - T. 49, N 26. - C. 4589-4597.
42. Ayouchi R. et al. Use of amorphous tin-oxide films obtained by spray pyrolysis as electrodes in lithium batteries // J. Power Sources. - 2000. - T. 87. - C. 106-111.
43. Morales J. et al. Electrodeposition of Cu2O: An excellent method for obtaining films of controlled morphology and good performance in Li-ion batteries // Electrochemical Solid-State Letters. - 2005. - T. 8, N 3. - C. A159-A162.
44. Bourderau S. Amorphous silicon as a possible anode material for Li-ion batteries / S. Bourderau, T. Brousse, D.M. Schleich // J. Power Sources. - 1999. - T. 81-82. - C. 233-236.
45. Jung H. et al. Amorphous silicon anode for lithium-ion rechargeable batteries // J. Power Sources. - 2003. - T. 115, N 2. - C. 346-351.
46. Netz A. The formation and properties of amorphous silicon as negative electrode reactant in lithium systems / A. Netz, R.A. Huggins, W. WeCner. // J. Power Sources. - 2003. -T. 119-121. C. 95-100.
47. Ohara S. et al. Li insertion/extraction reaction at a Si film evaporated on a Ni foil // J. Power Sources. - 2003. - T. 119-121. - C. 591-596.
48. Takamura T. et al. A vacuum deposited Si film having a Li extraction capacity over 2000 mAh/g with a long cycle life // J. Power Sources. - 2004. - T. 129, N 1. - C. 96-100.
49. Lee K.-L. et al. Electrochemical characteristics of a-Si thin film anode for Li-ion rechargeable batteries // J. Power Sources. - 2004. - T. 129, N 2. - C. 270-274.
50. Ohara S. et al. A thin film silicon anode for Li-ion batteries having a very large specific capacity and long cycle life // J. Power Sources. - 2004. - T. 136, N 2 - C. 303-306.
51. Uehara M. et al. Thick vacuum deposited silicon films suitable for the anode of Li-ion battery // J. Power Sources. - 2005. - T. 146, N 1-2. - C. 441-444.
52. Yoshimura K. Evaluation of the Li insertion/extraction reaction rate at a vacuum-deposited silicon film anode / K. Yoshimura, J. Suzuki, K. Sekine, T. Takamura // J. Power Sources. - 2005. - T. 146, N 1-2. - C. 445-447.
53. Lee K.-L. et al. Electrochemical characteristics and cycle performance of LiMn2O4/a-Si microbattery // J. Power Sources. - 2004. - T. 130, N 1-2. - C. 241-246.
54. Moon T. Electrochemical performance of amorphous-silicon thin films for lithium rechargeable batteries / T. Moon, Ch. Kim, B. Park. // J. Power Sources. - 2006. - T. 155, N 2. -C. 391-394.
55. Park M. S. et al. Electrochemical properties of Si thin film prepared by pulsed laser deposition for lithium ion micro-batteries // Electrochimica Acta. - 2006. - T. 51, N 25. - C. 5246-5249.
56. Takamura T. et al. High capacity and long cycle life silicon anode for Li-ion battery // J. Power Sources. - 2006. - T. 158, N 2. - C. 1401-1404.
57. Кулова Т.Л. Интеркаляция лития в тонкие пленки аморфного кремния / Т. Л. Кулова, А. М. Скундин, Ю.В. Плесков [и др.] // Физика и техника полупроводников, - 2006. - Т. 40. - С. 473-475.
58. Кулова Т.Л. Исследование интеркаляции лития в тонкие пленки аморфного кремния / Т.Л. Кулова, А.М. Скундин, Ю.В. Плесков [и др.] // Электрохимия. - 2006. - Т. 42. - С. 414-420.
59. Кулова Т.Л. Интеркаляция лития в тонкие пленки аморфного кремния: исследование методом спектроскопии электрохимического импеданса / Т.Л. Кулова, Ю. В. Плесков, А. М. Скундин [и др.] // Электрохимия. - 2006. - Т. 42. - С. 791-798.
60. Kulova T.L. et al. Lithium insertion into amorphous silicon thin-film electrodes // J. Electroanalyt. Chem. - 2007. - T. 600. C. 217-225.
61. Kulova T.L. et al. The Li insertion/extraction characteristics of amorphous silicon thin films // Chemical @ Biochemical Engineering Quarterly. - 2007. - T. 21. - C. 83-92.
62. Рогинская Ю.Е. Внедрение лития в кремниевые пленки, полученные магнетронным напылением / Ю.Е. Рогинская, Т.Л. Кулова, А.М. Скундин, [и др.] // Электрохимия. - 2008. - Т. 44. - С. 1069-1078.
63. Yin J. et al. Micrometer-scale amorphous Si thin-film electrodes fabricated by electron-beam deposition for Li-ion batteries // J. Electrochemical Soc. - 2006. - T. 153, N 3. - C. A472-A477.
64. Baranchugov V. et al. Amorphous silicon thin films as a high capacity anodes for Li-ion batteries in ionic liquid electrolytes // Electrochem. Comm. - 2007. - T. 9, N 4. - C. 796-800.
65. Maranchi J.P. High capacity, reversible silicon thin-film anodes for lithium-ion batteries / J.P. Maranchi, A.F. HeC, and P.N. Kumta // Electrochemical Solid-State Letters. -2003. - T. 6, N 9. - C. A198-A201.
66. Graetz J. et al. Highly reversible lithium storage in nanostructured silicon // Electrochemical Solid-State Letters. - 2003. - T. 6, N 9. - C. A194-A197.
67. Yang H. et al. Amorphous Si film anode coupled with LiCoO2 cathode in Li-ion cell // J. Power Sources. - 2007. - T. 174, N 2. - C. 533-537.
68. Choi N.-S. et al. Enhanced electrochemical properties of a Si-based anode using an electrochemically active polyamide imide binder // J. Power Sources. - 2008. - T. 177, N 2. - C. 590-594.
69. Zhang T. et al. The structural evolution and lithiation behavior of vacuum-deposited Si film with high reversible capacity // Electrochimica Acta. - 2008. - T. 53, N 18. - C. 56605664.
70. Cho G.B. et al. Surface-modified Si thin film electrode for Li ion batteries (LiFePO4/Si) by cluster-structured Ni under layer // J. Power Sources. - 2009. - T. 189, N 1. - C. 738-742.
71. Laïk B. et al. Silicon nanowires as negative electrode for lithium-ion microbatteries // Electrochimica Acta. - 2008. - T 53, N 17. - C. 5528-5532.
72. Chan C.K. et al. High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires // Nat. Nanotechnol. - 2008. - T.3, N 1. - C. 31-35.
73 Chan C. K. et al. Structural and electrochemical study of the reaction of lithium with silicon nanowires // J. Power Sources. - 2009. - T. 189, N 1. - C. 34-39.
74. Chan C.K. et al. Surface chemistry and morphology of the solid electrolyte interphase
on silicon nanowire lithium-ion battery anodes // J. Power Sources. - 2009. - T. 189, N 2. - C. 1132-1140.
75. Kasavajjula U. Nano- and bulk-silicon-based insertion anodes for lithium-ion secondary cells / U. Kasavajjula, C. Wang, A. J. ACleby // J. Power Sources. - 2007. - T. 163, N 2. - C. 1003-1039.
76. Брук М. А. Новый тип наноструктуры в Si/C-электродах для литий-ионных аккумуляторов / М.А. Брук, В.А. Беспалов, Б.А. Логинов [и др.] // Неорганические материалы. - 2008. - Т. 44. - С. 1213-1217.
77. Рогинская Ю. Е. Новый тип наноструктурированных композитных Si/C электродов / Ю.Е. Рогинская, Т.Л. Кулова, А.М. Скундин, [и др.] // Электрохимия. - 2008. - Т. 44. - С. 1289-1296.
78. Рогинская Ю.Е. Строение и свойства нового типа наноструктурированных композитных Si/C-электродов для литий-ионных аккумуляторов / Ю.Е. Рогинская, Т.Л. Кулова, А.М. Скундин, [и др.] // Журнал физической химии. - 2008. - Т. 82. - С. 18521860.
79. Zavyalov S.A. et al. The structure and charge-storage capacitance of carbonized films based on silicon polymer nanocomposites // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 2008. -T. 82. - C. 2165-2168.
80. Бучин Э.Ю. Структурные изменения в пленках Si-CuSi при интеркаляции ионов лития / Э.Ю. Бучин, А.А. Мироненко, В.В. Наумов [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2019. Т. 45, N 12. - С. 26-29.
81. Chen L.B. Si-Al thin film anode material with superior cycle performance and rate capability for lithium ion batteries / L.B. Chen, J.Y. Xie, H.C. Yu, T.H. Wang // Electrochimica Acta. - 2008. - T. 53, N 28. - C. 8149-8153.
82. Suzuki M. Li insertion/extraction characteristics of a vacuum-deposited Si-Sn two-component film / M. Suzuki, J. Suzuki, K. Sekine, T. Takamura // J. Power Sources. - 2005. - T. 146, N 1-2. - C. 452-456.
83. Lee S.-J. Si-Zr alloy thin-film anodes for microbatteries / S.-J. Lee, H.-Y. Lee, H-K. Baik, S.-M. Lee // J. Power Sources. - 2003. - T. 119-121. - C. 113-116.
84. Lee K.-S. Silver alloying effect on the electrochemical behavior of Si-Zr thin film anodes / Kwan-Soo Lee, Young-Lae Kim, Sung-Man Lee // J. Power Sources. - 2005. - T. 146, N 1-2. - C. 464-468.
85. Sun Q. Vanadium nitride as a novel thin film anode material for rechargeable lithium batteries / Q. Sun, Z.-W. Fu // Electrochimica Acta. - 2008. - T. 54, N 2. - C. 403-409.
86. Pereira N. The electrochemistry of Zn3N2 and LiZnN A lithium reaction mechanism
for metal nitride electrodes / N. Pereira, L.C. Klein, G.G. Amatucci // J. Electrochem. Soc. - 2002. - T. 149, N 3. - C. A262-A271.
87. Pereira N. et al. The electrochemistry of germanium nitride with lithium // J. Electrochem. Soc. - 2003. - T. 150, N 8. - C. A1118-A1128.
88. Pereira N. et al. Electrochemistry of Cu3N with Lithium: A Complex System with Parallel Processes // J. Electrochem. Soc. - 2003. - T. 150, N 9. - C. A1273-A1280.
89. Wang Y. et al. Electrochemical Reactivity Mechanism of Ni3N with Lithium // J. Electrochem. Soc. - 2004. - T. 151, N 4. - C. E162-E167.
90. Sun Q. An anode material of CrN for lithium-ion batteries / Q. Sun, Z.W. Fu // Electrochemical Solid-State Letters. - 2007. - T. 10, N 8. - C. A189-A193.
91. Bates J.B. et al. Electrical properties of amorphous lithium electrolyte thin films // Solid State Ionics. - 1992. - T. 53-56. - C. 647-654.
92. Vereda F. et al. Rapidly grown IBAD LiPON films with high Li-ion conductivity and electrochemical stability // Electrochemical Solid-State Letters. - 2002. - T. 5, N 11. - C. A239-A241.
93. Cho K.-H. et al. Fabrication of Li2O-B2O3-P2O5 solid electrolyte by flame-assisted ultrasonic spray hydrolysis for thin film battery // Electrochimica Acta. - 2006. - T. 52, N 4. - C. 1571-1575.
94. Dokko K. Preparation of LiMn2O4 thin-film electrode on Lh+xAlxTi2-x(PO4)3 NASICON-type solid electrolyte / K. Dokko, K. Hoshina, H. Nakano, K. Kanamura // J. Power Sources. - 2007. - T. 174, N 2. - C. 1100-1103.
95. Xu X. et al. Lithium ion conductive glass ceramics in the system Lh.4Al0.4(Ge1-xTix)1.6(PO4)(3) (x=0-1.0) // Solid State Ionics. - 2004. - T. 171. - C. 207-213.
96. Trapa P.E. et al. Rubbery graft copolymer electrolytes for solid-state, thin-film lithium batteries // J. Electrochem. Soc. - 2005. - T. 152, N 1. - C. A1-A5.
97. Park M.-S. et al. Performance evaluation of printed LiCoO2 cathodes with PVDF-HFP gel electrolyte for lithium ion microbatteries // Electrochimica Acta. - 2008. - T. 53., N 17. - C. 5523-5527.
98. Funke K. Jump relaxation in solid electrolytes // Prog. Solid State Chem. - 1993. - T. 22, N 2. - C. 111-195.
99. Bates J.B. et al. Fabrication and characterization of amorphous lithium electrolyte thin films and rechargeable thin-film batteries // J. Power Sources. - 1993. - T. 43, N 1-3. - C. 103110.
100. Birke P. Materials for lithium thin-film batteries for application in silicon technology / P. Birke, W.F. Chu, and W. WeCner // Solid State Ionics. - 1996. - T. 93. - C. 1-15.
111. Morimoto H. Mechanochemical Synthesis of New Amorphous Materials of 60Li2S-40SiS2 with High Lithium Ion Conductivity / H. Morimoto, H. Yamashita, M. Tatsumisago, T. Minami // J. Amer. Ceram. Soc. - 1999. - V. 82, N 5. - C. 1352-1354.
112. Hayashi A. et al. Preparation of Li2S-P2S5 Amorphous Solid Electrolytes by Mechanical Milling // J. Amer. Ceram. Soc. - 2001. - T. 84, N 2. - C. 477-479.
113. Hayashi A. Characterization of Li2S-SiS2-LixMOy (M=Si, P, Ge) amorphous solid electrolytes prepared by melt-quenching and mechanical milling / A. Hayashi, H. Yamashita, M. Tatsumisago, T. Minami // Solid State Ionics. - 2002. - T. 148. - C. 381-389.
114. Takada K. Electrochemical behavior of LixMO2 (M = Co, Ni) in all solid state cells using a glass electrolyte / K. Takada, N. Aotani, K. Iwamoto, and S. Kondo // Solid State Ionics. - 1995. - T. 79. - C. 284-287.
115. Takada K. et al. Research on highly reliable solid-state lithium batteries in NIRIM // J. Power Sources. - 2001. - T. 97-98. - C. 762-764.
116. Bartholomew R. F. Electrical properties of new glasses based on the Li2S-SiS2 system / R. F. Bartholomew, D. M. Young, A. J. G. Ellison // J. Non-Cryst. Sol. - 1999. - T. 256. - C. 242-247.
117. Sakamoto R. Preparation of fast lithium ion conducting glasses in the system Li2S-SiS2-Li3N / R. Sakamoto, M. Tatsumisago, T. Minami // J. Phys. Chem. B. - 1999. - T. 103, N. 51. - C. 4029-4031.
118. Iio K. et al. Mechanochemical synthesis of high lithium ion conducting materials in the system LisN-SiS2 // Chem. Mater. - 2002. - T. 14, N 6. -C. 2444-2449.
119. Ibarra J. et al. Influence of composition on the structure and conductivity of the fast ionic conductors La2/3-xLi3xTiO3 (0.03 <= x <= 0.167) // Solid State Ionics. - 2000. - T. 134. - C. 219-228.
120. Bohnke O. Mechanism of ionic conduction and electrochemical intercalation of lithium into the perovskite lanthanum lithium titanate / O. Bohnke, C. Bohnke, J. L. Fourquet // Solid State Ionics. - 1996. - T. 91. - C. 21-31.
121. Mizumoto K. Conductivity relaxation in lithium ion conductors with the perovskite-type structure / K. Mizumoto, S. Hayashi // Solid State Ionics. - 2000. - T. 127. - C. 241-251.
122. Garcia-Martin S. Lithium-ion conductivity in the novel La1/3 xLi3xNbO3 solid solution with perovskite-related structure / S. Garcia-Martin, J. M. Rojo, H. Tsukamoto [et all] // Solid State Ionics. - 1999. - T. 116. - C. 11-18.
123. Birke P. et al. A first approach to a monolithic all solid state inorganic lithium battery // Solid State Ionics. - 1999. - T. 118, - C. 149-157.
124. Yamaki J.-I. et al. Rechargeable lithium thin film cells with inorganic electrolytes //
Solid State Ionics. - 1996. - T. 86-88. - C. 1279-1284.
125. Kanno R. Synthesis of a new lithium ionic conductor, thio-LISICON-lithium germanium sulfide system / R. Kanno, T. Hata, Y. Kawamoto, M. Irie // Solid State Ionics. - 2000. - V. 130. - C.97-104.
126. Kanno R. Lithium Ionic Conductor Thio-LISICON: The Li2S-GeS2-P2S5 System / R. Kanno, M. Myrayama // J. Electrochem. Soc. - 2001. - V. 148, N 7. - C. A742-A746.
127. Yang J. Study on the lithium solid electrolytes of Li3N-Li3Bi-LiCl ternary system -2Li(3)Bi center dot 3LiCl lithium solid electrolyte / J. Yang, Y. Jia, Z. Yao // Solid State Ionics. -1997. - T. 96. - C. 215-218.
128. Neudecker B. J. Li9SiAlO8: A lithium ion electrolyte for voltages above 5.4 V / B. J. Neudecker, W. WeCner // J. Electrochem. Soc. - 1996. - T. 143. N 7. - C. 2198-2203.
[B] Диссертация И.С. Федорова
129. Рудый А.С. Экспериментальное исследование тонких пленок твердого электролита фосфор-оксинитрида лития / А.С. Рудый, С.В. Васильев, М.Е. Лебедев [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2017. - Т. 43, N 11. - С. 3-9.
130. Васильев С.В. Разработка технологии магнетронного нанесения пленок LiPON и исследование их характеристик / С. В. Васильев, М. Е. Лебедев, Л. А. Мазалецкий [и др.] // Микроэлектроника. - 2017. - Т. 46, N 6. - С. 462-471.
131. Wen, C. J. Chemical diffusion in intermediate phases in the lithium-silicon system / C.J. Wen, R.A. Huggins // Journal of Solid State Chemistry. - 1981. - V. 37, Iss. 3. - P. 271-278.
132. Sharma R. A. Thermodynamic properties of lithium-silicon system / R. A. Sharma, R. N. Seefurth // J. Electrochem. Soc. - 1976. -T. 123, N 12, - C.1763-1768.
133. McCoy L. R. Lithium-silicon electrodes for IJIE lithium-iron sulfide battery / L. R. McCoy and S. Lai // Proceedings of the Symposium and Workshop on Advanced Battery Research and Design - 1976. -C. B-167.
134. Lai S.-C. Solid lithium-silicon electrode // J. Electrochem. Soc. - 1976. - T. 123, N 12, - C. 1196-1197 (1976).
135. Nesper, R. Li21Si5, a Zintl phase as well as a Hume-Rothery phase / R. Nesper, H.G. von Schnering // Journal of Solid State Chemistry. - 1987. - V. 70, Iss. 1. - P. 48-57.
136. Limthongkul, P. Electrochemically-driven solid-state amorphization in lithium-metal anodes / P. Limthongkul, Y.-I. Jang, N.J. Dudney, Y.-M. Chiang // Journal of Power Sources. -2003. - V. 119-121. - P. 604-609.
137. Ogata, K. Revealing lithium-silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy / K. Ogata, E. Salager, C.J. Kerr, A.E.
Fraser, C. Ducati, A.J. Morris, S. Hofmann, C.P. Grey // Nature Communications. - 2014. - V. 5. - P. 3217-3227.
138. Obrovac, M.N. Structural Changes in Silicon Anodes during Lithium Insertion-Extraction / M. N. Obrovacz, L. Christensen // Electrochemical Solid-State Letters. - 2004. - V. 7. - P. A93-A96.
139. 3. Boukamp, B.A. All-solid lithium electrodes with mixed-conductor matrix / B.A. Boukamp, G.C. Lesh, R.A. Huggins // Journal of the Electrochemical Society. - 1981. - V. 128, Iss. 4. - P. 725-729.
140. Li, X. Mesoporous silicon sponge as an anti-pulverization structure for highperformance lithium-ion battery anodes / Li, X., Gu, M., Hu, S. et al.// Nat. Commun. - T.5, - Art no. 4105.
141. von Schnering H. G. Structure and properties of Li14Si6/Li/2.33/Si/, the violet phase in the lithium-silicon system. / H. G. von Schnering, R. Nesper, K.-F. Tebbe, and J. Curda, // Zeitschrift fur Metallkunde - 1980. - T.71. - C.357-363.
142. von Schnering H. G. ChemInform Abstract: Structure and properties of lithium silicide (li14si6(li2.33si)), the purple phase in the lithium-silicon system / H. G. von Schnering, R. Nesper, K.-F. Tebbe, and J. Curda, // Physical Inorganic Chemistry.- 1980. - T. 11, N 36. - C. 357.
143. Frank U. The Crystal Structure of Li7Sn3 Li7Sn3. / U. Frank, W. Muller, and H.
Schafer // Z. Naturforsch. - 1975. - T. 30, N 1-2. - C. 6-9.
144. E. I. Gladyshevskii, G. I. Oleksov, and P. I. Kripyakevich, Soviet physics crystallography. - 1964. - T. 9. - C. 269.
145. Axel, H. Crystal Structure of Lithium Silicide Li2Si. / H. Axel, H. Schafer, and A. Weiss // Angew. Chem. - 1965. - T. 77, N 8. - C. 379-380.
146. Antula, J. Investigation of the cathodic reduction of lithium and arsenic ions on monocrystalline silicon by cyclic voltammetry / J. Antula, B.F. Becker // The Journal of Physical Chemistry. - 1975. - V. 79, Iss. 23. - P. 2470-2473.
147. Kim, H. Structure and Properties of Li-Si Alloys: A First-Principles Study / H. Kim, C.Y. Chou, J.G. Ekerdt, G.S. Hwang // Journal of Physical Chemistry C. - 2011. - V. 115. - P. 2514-2521.
148. Разработка научно-технических решений по созданию тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов на основе нанокомпозитов кремния и высших оксидов ванадия, обладающих повышенной удельной емкостью и скоростью зарядки : отчет о НИР (промежуточ.): Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова; рук. Рулый А С. - Ярославль, 2015. - 100 с. - Исполн.: А.А. Мазалецкий и др. - № ГР 114092570025. -
Инв. № ФЦП-1177
149. Грызлов Д. Ю. Улучшение электрохимических характеристик аморфного кремния путем предварительного отжига / Д.Ю. Грызлов, А.С. Рудый, А.А. Мироненко, [и др.] // Электрохимическая энергетика. - 2011. - Т.11, N 3. - С. 136-141.
150. Кулова Т.Л. Исследование тонкопленочных кремний-алюминиевых электродов, синтезированных в присутствии кислорода, методом циклической вольтамперометрии / Т.Л. Кулова [и др.] // Электрохимия. - 2015. - T. 51, N 12. - C. 12981302.
151. Netz A.The formation and properties of amorphous silicon as negative electrode reactant in lithium systems / Andreas Netz, Robert A. Huggins, Werner WeCner // J. Power Sources. - 2003. - T. 119-121. - C. 95-100.
152. Ohara S. Li insertion/extraction reaction at a Si film evaporated on a Ni foil / S. Ohara, J. Suzuki, K. Sekine, T. Takamura // J. Power Sources. - 2003. - T. 119-121. - C. 591-596.
153. Takamura T. et al. A vacuum deposited Si film having a Li extraction capacity over 2000 mAh/g with a long cycle life // J. Power Sources. - 2004. - T. 129, N 1. - C. 96-100.
154. Lee K.-L. et al. Electrochemical characteristics of a-Si thin film anode for Li-ion rechargeable batteries //J. Power Sources. - 2004. - T. 129, N 2. - C. 270-274.
155. Ohara S. A thin film silicon anode for Li-ion batteries having a very large specific capacity and long cycle life / S. Ohara, J. Suzuki, K. Sekine, T. Takamura // J. Power Sources. -2004. - T. 136, N 2. - C. 303-306.
156. Zhang Ye. Microstructure and Li alloy formation of nano-structured amorphous Si and Si/TiN composite thin film electrodes / Ye. Zhang, Z.-W. Fu, Q.-Z. Qin // Electrochem. Comm. - 2004. - T. 6, N 5. - C. 484-491.
157. Активный материал отрицательного электрода на основе кремниевого сплава для электрического устройства // пат. RU 2508579 C2 Рос. Федерация. 2014. Бюл. № 6. / Ватанабе Манабу, Танака Осаму, Миямото Такаси.
158. Kim Y.J. et al. Electrochemical properties of aluminum-doped silicon films as anode materials for lithium-ion batteries // Journal of the Korean Physical Society. - 2006. - T. 49, N 3. - C. 1196-1201.
159. Gupta S. K. et al. Modified phonon confinement model for size dependent Raman shift and linewidth of silicon nanocrystals // Solid State Communications. - 2009. - T. 149, N 4546. - C. 1989-1992.
160. Evans Analytical Group. Application note 334. Semiconductor Structural Studies by Raman Spectroscopy (May 4, 2007). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nanoscience.co.jp/case_studies/pdf/AN334.pdf. - Дата доступа: 10.04.2020.
161. Евщик, Е.Ю. Анодные материалы на основе кремния для литий-ионных аккумуляторов: диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук: 02.00.04: защищена 21.12.16 / Евщик Елизавета Юрьевна. - Черноголовка, 2016. - 163 с.
162. Gu M. et al. Electronic Origin for the Phase Transition from Amorphous Li x Si to Crystalline LiisSi4 // ACS Nano. - 2013. - T. 7, N 7. - C. 6303-6309.
163. Айрапетов А.А. Тонкопленочный отрицательный электрод на основе композита кремния для литий-ионных аккумуляторов / А.А. Айрапетов [и др.] // Микроэлектроника. - 2016. - Т. 45, № 4. - С. 305-312.
164. Способ изготовления тонкопленочного анода литий-ионных аккумуляторов на основе пленок наноструктурированного кремния, покрытого двуокисью кремния // пат. RU 2474011 C1 Рос. Федерация. 2013. Бюл. № 3. / Гусев В. Н., Мироненко А.А., Геращенко В.Н. [и др.].
165. Попов З.И. Влияние атомов примеси на скорость диффузии лития в кристаллическом кремнии / З.И. Попов [и др.] // Вестник СибГАУ. - 2011. - Т. 36. - С. 146150.
166. Кулова Т.Л. Исследование тонкоплёночных электродов системы кремний— алюминий—кислород для литий-ионного аккумулятора. / Т.Л. Кулова [и др.] // Электрохим. энергетика. - 2013. - Т. 13. - С. 136-143.
167. Mengyun N. Anode solid electrolyte interphase (SEI) of lithium ion battery characterized by microscopy and spectroscopy. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://digitalcommons.uri.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1220@context=oa_diss -_Дата
доступа: 10.04.2020.
168. Васильев С. В. Тонкопленочный положительный электрод на основе оксидов ванадия для литий-ионных аккумуляторов / С В. Васильев [и др.] // Микроэлектроника. -2016. - T. 45, N 5. - C. 363-373.
169. Рудый А.С., Мироненко А.А., Наумов В.В., Скундин А.М., Кулова Т.Л., Федоров И.С., Васильев С.В. Твердотельный литий-ионный аккумулятор: структура, технология и характеристики // Письма в ЖТФ, - 2020, Т. 46. - С. 15-18.
170. Kulova T. L. et al. Study of silicon composite for negative electrode of lithium-ion battery // Int. J. Electrochem. Sci. - 2016. - T. 11, N 2. - C. 1370 -1381.
171. Wu Q.H. Photoelectron Spectroscopy of Intercalation Phases: Na and Li in V2O5 Thin Films and LiMn2O4 [Ph.D. Dissertation]. Darmstadt: Technische Universität, 2003. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/342/1/Wu-Qihui-diss.pdf-Дата доступа: 10.04.2020.
172. Schwöbel A. Interfacial energy level alignment and energy level diagrams for all-
solid Li-ion cells: Impact of Li-ion transfer and double layer formation / A. Schwobel, W. Jaegermann, R. Hausbrand // Solid State Ionics. - 2016. - T. 288. - C. 224-228.
173. Drabold D.A. et al. The structure of electronic states in amorphous silicon// J. Mol. Graphics Mod. - 1999. - T. 17, N 5-6. - C. 285-291.
174. Разработка научно-технических решений по созданию тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов на основе нанокомпозитов кремния и высших оксидов ванадия, обладающих повышенной удельной емкостью и скоростью зарядки: отчет о НИР / Рудый А.С. - Ярославль: Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова, 2016. -135 с.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору Рудому А.С. за оказанную профессиональную помощь и каждодневную поддержку во время проведения работ над диссертацией. Автор благодарит Центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика микро - и наноструктур» и его сотрудников (Мироненко А.А., Чурилова А.Б., Лебедева М.Е., Васильева С.В., Федорова И.С., Пухова Д.Э., Королёву О.М., Геращенко В.Н., Бачурина В.И., Метлицкую А.В., Торцеву Ю.С.) за доступ к аналитическому и технологическому оборудованию и за помощь в планировании и проведении экспериментов. Кроме того, автор благодарен сотрудникам ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН (Куловой Т.Л., Скундину А.М., Грызлову Д.Ю.) за конструктивное обсуждение экспериментов и их результатов. Автор благодарит всех соавторов научных работ за помощь в проведении экспериментов и написании научных статей.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Акт внедрения и Свидетельства о государственной регистрации РИД
з .
нюня 2020 г.
утверждаю
Секгор ЯрГУ . Л.И. Русаков
-г '
АКТ
об использовании результатов диссертационной работы Мазалецкого Леонида Алексеевича
«Исследование влияния структуры и фазового состава нанокомпозитов на основе кремния на процессы внедрения и экстракции лития»
Настоящим подтверждается, что результаты научных и практических работ, полученные Мазалецким Л.Л. при подготовке диссертационной работы «Исследование влияния структуры н фазового состава нанокомпозитов на основе кремния на процессы внедрения и экстракции лития» использовались при выполнении следующих проектов:
].№ 14.574.21.0099 (уникальный идентификатор ЯРМЕН157414X0099) «Разработка научно-технических решений по созданию тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов на основе нанокомпозитов кремния и высших оксидов ванадия, обладающих повышенной удельной емкостью и скоростью зарядки», проводимого в рамках, федеральном целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2014-2020 годы»,
2. № 05.604.21.0230 (уникальный идентификатор К1-М1:.Г160419X0230). «Разработка твердотельных гонконленочных ЗГ) литий-ионных аккумуляторов для микроминиатюрных устройств интегральной электроники, шбкой электроники и микроснстемной техники», проводимого в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2014-2020 годы».
3. № 0856-2020-0006 «Исследование механизмов переноса заряда и контактных явлений в функциональных слоях тонкопленочных твердотельных литий-ионных аккумуляторов различных электрохимических систем», проводимого в рамках государственного задания ЯрГУ па 2020-2022 годы,
11роректор по учебной работе,
завкафедрой микроэлектроники и общей физики
д.ф.-м.н., профессор
Зав. лабораторией физики и электрохимии твердотельных источников гока с.н.с., к.ф.-м.н.
Иешкнн А.К.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.