ЗА КРЕМНИЕМ — БУДУЩЕЕ

Будущее литий-ионных аккумуляторов — за кремнием, считают уральские электрохимики. Они уже показали, что использование наноструктурированных материалов на основе кремния повышает эффективность работы ЛИА.

— Это достигается за счет повышения удельной емкости анодного материала, — поясняет участник проекта кандидат химических наук Андрей Исаков. — Сейчас в литий-ионных аккумуляторах основу материала отрицательного электрода составляют соединения углерода, который представлен порошковой фракцией и емкость которого по литию не так уж велика, около 370 мА˙ч/г. Углеродные материалы плохо переносят резкие изменения температуры, из-за этого снижаются их емкость и соответственно срок службы батареи. Кремний обладает на порядок более высокой удельной емкостью —  4200 мА˙ч/г. Его использование в сочетании с углеродом, имеющим хорошую электропроводность, позволит не только значительно улучшить характеристики ЛИА, но и без особых проблем вписаться в существующие технологические процессы.

На сегодняшний день самый перспективный способ получения кремния — электролитическое осаждение в расплавленных солевых электролитах. Участники проекта работают одновременно в двух направлениях. Первое —фундаментальные исследования физико-химических закономерностей изменения свойств расплавленных электролитов, процесса зарождения и роста кремниевой фазы из расплавов солей и взаимодействия кремниевых материалов с ионами лития. Исследования в области электролиза и развитие представлений о зародышеобразовании в солевых расплавах позволят направленно менять морфологию электролитических осадков кремния и перейти к изучению процессов формирования кремниевых наноматериалов. Это покрытия, нановолокна, тонкие пленки, одноатомные слои кремния, близкие по структуре к силицену — соединению, которое в свою очередь подобно графену.

— Процесс электрокристаллизации кремния подчиняется определенным закономерностям, — говорит Андрей Исаков. — Выяснилось, что все зародыши кремния появляются одновременно и сразу начинают расти. Мы предположили, что благодаря такому мгновенному зарождению можно сформировать пленки заданной толщины, и, проведя первые эксперименты, убедились, что не ошиблись. Мы попробовали разные составы расплава, изучили механизм электродной реакции и влияние на нее параметров процесса, исследовали электроосаждение кремния на углеродную подложку в различных режимах, установили диапазон температур, в котором можно комфортно работать. Температурный режим определяется не только тем, как должен вести себя кремний в электродном процессе, но также материаловедческими и технологическими решениями. В результате мы получили кремниевые наноструктуры различной формы и сплошные слои кремния на разных подложках и исследовали их свойства методами электронной микроскопии, романовской спектроскопии, микрорентгеноспектрального анализа.

Вторая часть работы по гранту — молекулярно-динамическое моделирование кремниевых материалов и исследование воздействия на них лития в компьютерном эксперименте. Ученым нужно выяснить, каким должен быть наноматериал для анода литий-ионного аккумулятора по ориентации зерен, по количеству слоев, а если это тонкая пленка — должен ли он быть моно-, поликристаллическим или аморфным. В молекулярно-динамическом эксперименте они исследовали движение положительно заряженных ионов лития под действием электростатического поля между листами дефектного силицена и прохождение их сквозь пористые силиценовые мембраны при поддержке графена, а также полученные в результате механические и кинетические свойства ионов лития. Эти данные необходимы для конструирования силиценовых анодов. Создана также  компьютерная программа для определения межфазной энергии, характеризующей сцепление силицена с подложкой.

Сейчас участники проекта идут параллельно в этих двух направлениях, которые объединятся, когда благодаря компьютерному моделированию будут определены оптимальные характеристики материала и можно будет направленно его синтезировать. До сих пор к решению этой проблемы так комплексно никто не подходил. Традиционно сначала синтезируют наноматериал, а затем исследуют его свойства непосредственно в источнике тока, методом проб и ошибок подбирая лучший вариант.

Внутри научного коллектива существует четкое разделение труда. Руководитель гранта РНФ Ю.П. Зайков ставит молодым сотрудникам экспериментальные задачи с целью развития теоретических представлений о процессе электрокристаллизации кремния в расплавах солей. Кандидат химических наук Андрей Исаков занят постановкой эксперимента и анализом полученных данных, а обрабатывают эти данные младшие научные сотрудники Сергей Жук и Михаил Лаптев. Доктор химических наук Владимир Александрович Исаев изучает процесс электрокристаллизации в расплавленных солях, кандидат химических наук Ольга Владимировна Гришенкова развивает численные методы исследования этого процесса. Доктор физико-математических наук Александр Евгеньевич Галашев — специалист в области молекулярной динамики, кандидат физико-математических наук Оксана Рахманова формирует условия компьютерного эксперимента.

Широкое привлечение молодежи к работе по крупным грантам — целенаправленная политика руководства ИВТЭ, стремящегося создать для молодых ученых самые благоприятнее условия. Известно, что зарплата у младшего научного сотрудника — просто «слезы». Совсем другое дело, когда он участвует в работе, за которую можно получить дополнительные деньги.  Старшее поколение не боится делегировать младшим коллегам административные обязанности — недавно три лаборатории ИВТЭ возглавили молодые кандидаты и доктор наук, доверяет и руководство научными группами. Такую группу в рамках гранта РНФ возглавляет Андрей Исаков, который пришел в институт в 2008 году, сразу после окончания УрФУ. По его словам, участники проекта трудятся слаженно и очень творчески, ведь интеллектуальная работа не заканчивается с уходом домой. Именно поэтому ученые достаточно быстро получают хорошие результаты.

— Электрохимический синтез наноматериалов на основе кремния — очень перспективное научное направление, — уверен научный руководитель ИВТЭ Юрий Павлович Зайков. — Неслучайно производственники живо интересуются ходом наших исследований. Как уже говорилось, литий-ионные аккумуляторы широко применяются в различных портативных электронных устройствах, в системах поддержания микроклимата в арктических условиях, в солнечных батареях и ветрогенераторах, в электромобилях, в источниках бесперебойного питания для особо важных объектов, в лазерной измерительной технике и многих других областях. Впрочем, новые технологии электрокристаллизации кремния представляют интерес и сами по себе. Если традиционный процесс получения этого химического элемента проходит при температуре 1800–1850⁰С, то в нашем случае — при 700⁰С. Работа по проекту продолжается, задачи перед нами стоят нетривиальные, и мы готовы находить нетривиальные решения.