Способ создания наноструктурированного кремниевого анода

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу создания наноструктурированного многослойного кремниевого анода для литиевых аккумуляторов. В предложенном способе на титановую подложку (3) с двух сторон наносят поликристаллический кремний (2), затем на обе стороны приклеивают тонкую металлическую фольгу (1), размещенную внутри пластика, и облучают материал лазерным импульсным излучением надпороговой мощности, при этом образуются каналы (5), размер которых контролируется мощностью лазерного излучения, пространство между каналами заполняется кремниевыми нановискерами (4), покрытыми тонкой пленкой углерода. Упорядоченные нановискеры (4) вырастают также и на стенках каналов (5). Такая обработка сложной гетероструктуры позволяет увеличить в 1000 раз объем анода и его прочность, поскольку кремниевые бездислокационные нановискеры (4) обладают более высокой прочностью и меньшим значением модуля Юнга в сравнении с микрометрическими размерами кремния. Повышение емкости анода является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к созданию нового поколения литиевых аккумуляторов в виде многослойной структуры рис 3. В способе создания наноструктурированного анода на титановую подложку 3 с двух сторон наносят поликристаллический кремний 2, затем на обе стороны приклеивают тонкую металлическую фольгу 1, размещенную внутри пластика и облучают материал лазерным импульсным излучением надпороговой мощности. В результате воздействия такой мощности лазерный луч делится на пороговую, при этом образуются каналы 5 размер которых контролируется мощностью лазерного излучения, а между каналами пространство заполняется кремниевыми нановискерами 4, покрытые тонкой пленкой углерода, при этом размер и плотность их контролируется параметрами лазерной установки. Упорядоченные нановискеры 4 вырастают также и на стенках каналов 5. Такая обработка сложной гетероструктуры позволяет увеличить в 1000 раз объем анода и его прочность, т.к. кремниевые бездислокационные нановискеры 4 обладют более высокой прочностью и обладают меньшим значением модуля Юнга в сравнении с микрометрическими размерами кремния. Изобретение позволяет создавать как аккумуляторы для питания слабых электронных изделий, так и для мощных транспортных систем

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.

Развитие вычислительной техники с процессоров на батареи и аккумуляторы. Мощный прожорливый процессор оказывается никому не нужен и выбор падает на более слабый тип с более долгим временем автономной работы. Фирмы Gartner, Locheed Martin, Nexeon считают, что в ближайшее время (два года) произойдет прорыв. Фирма Natural Nanotechnology Stenford создала гранатовую батарею, которая выдерживает 1000 циклов зарядки и сохраняет 97% емкости, а кремний размерами 3 мк, покрытый тонкой пленкой углерода собирается в виде граната. Недостатки предлагаемой технологии следующие: сложная химия по покрытию кремния тонкой пленкой углерода. Сложная сборка устройства (что признают сами авторы), которая не позволяет комерциализировать процесс и сделать его более дешевым.(1) Другим интересным решением является работа в которой использовались вискеры кремния, которые дают интересные результаты в начальной стадии работы аккумулятора, который выдерживает только 50 циклов зарядки, т.к. литий проникает в кремний, увеличивает объем вискеров в 3 раза и анод разрушается. Выращивание вискеров медленный процесс 5 мк\час, такие вискеры не ориентированы и механически имеют невысокую прочность.(Chan/J/Power Sources 2009'V 189. Р 303-306.) В патенте (RU 2325008) вискеры изготавливались при помощи химического травления из кристаллического кремния. Прочность их была невелика, поэтому как и в предыдущем случае изготовленные вискеры разрушались. Таким образом, изготовление кремниевых анодов при помощи кластерных технологий позволяет только частично решать сложные технологические задачи.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

В основу изобретения поставлена задача снизить трудоемкость изготовления гранатовых аккумуляторов, созданных на основе 3 мк кремния, покрытого углеродом, ввести в изделие более прочные и меньшего размера нановискеры 4 от 40 нм - 1 мк, покрытые углеродом, что позволит значительно увеличить емкость анода, а легирование кремния алюминием увеличит акцепторную проводимость анода, создать внутри кремния нановискеризованные колодцы 5, покрытые углеродом для удержаниия ионов лития, а высокоскоростная кристаллизация в лазерной плазме в диапазоне 3000-4000С и давлениях порядка 100000 атм при скоростях кристаллизации 80-100 м/сек позволит выращивать бездислокационные нановискеры высокой прочности, снизить энергозатраты и создать высокопроизводительный процесс изготовления аккумуляторов нового поколениия с объемным концентрированием лития, при этом пластины анодов, могут достигать 0,5 м2 по площади.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления анода на тонкий металлический электрод 3 с обеих сторон наносится тонкий слой кремния 2, который заклеивается алюминиевой пластифицированной фольгой 1. Изготовленная таким образом структура подвергается воздействию сканирующего импульсного лазерного излучения надпороговой мощности

При таком способе воздействия на структуру, в ней образуются каналы 5, стенки которых покрыты нановискерами кремния 4, при этом диаметр каналов в зависимости от програмного обеспечения работы лазерной установки может изменяться от 1-150 мк, а также плотность расположения каналов.(рис 1)

При таком таком способе воздействия на структуру между каналами вырастают бездислокационные нановискеры кремния 4 с размерами от 40 нм до 1 мк и высотой от 100 нм до 5 мк (рис 2).

При таком способе воздействия на структуру при температурах лазерной плазмы одновременно происходит разрушение пластика с образованием свободного углерода, который покрывает кремниевые нановискеры 4, как в каналах 5, так и на поверхности

При таком способе воздействия на структуру одновременно происходит легирование кремния алюминием, т.е. увеличением акцепторной проводимости.

При таком способе изготовления кремниевого анода создается механически прочная структура, т.к. прочность нановискеров в десятки раз прочнее кристаллического кремния (Справочник по технологии наночастиц, Научный мир, 2013 стр 58-59).

Поскольку нановискеры 4 возникают в нескольких слоях структур начиная с нижнего, создается объемная пространственная конструкция для поглощения и удержания ионов лития, которая приводит к увеличению емкости структуры в десятки раз.

Предлагаемая технология резко упрощает и удешевляет изготовление и стоимость кремниевого анода

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И ФОТОГРАФИЙ.

Рис 1 Фотография нановискеров на стенках канала выполненная при помощи атомно-силового микроскопа.

Рис 2.Фотография нановискеров на поверхности структуры между каналами.

Рис 3 Чертеж конструкции структуры.

ЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Предлагаемый способ изготовления наноструктурированного кремниевого анода при изготовлении аккумуляторов и батарей нового поколения осуществляется следующим образом.

Для изготовления кремниевого анода размещают сканирующий импульсный источник лазерного излучения напротив структуры рис. 3, состоящей из 5 слоев и проводят лазерное облучение надпороговой мощности, при этом образуются как нановискеризованные каналы рис 1, так и нановискеры между каналами рис 2. Такое облучение производится с двух сторон структуры.

Затем производится вырубка анодных пластин, зачистка контактных поверхностей, сушка в вакуумном сушильном шкафу. Нарезка сепараторной ленты и изготовление электродно-сепараторного блока следующая операция. Далее ультразвуковая сварка электродов в стеки и приварка токовыводов. Затем изготовление пакета из ламината, сборка электродно-сепараторного блока в корпус и запайка пакета с трех сторон. Заливка электролита с помощью дозатора и финальная запайка пакета. В качестве катода можно применять феррофосфат лития.

1. Способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур на основе кремния, заключающийся в том, что в анодный электрод вводят материалы с заданными электрохимическими параметрами, из которых образуют кластеры и создают из них упорядоченные структуры с управляемыми электрохимическими свойствами, отличающийся тем, что кремниевые слои на металлической подложке, покрытые пластифицированной алюминиевой фольгой, облучают лазерным импульсным сканирующим излучением надпороговой мощности, образуют в зоне сфокусированного излучения нановискеризованные каналы кремния, легированные алюминием и покрытые углеродом, а между каналами - монокристаллические бездислокационные нановискеры кремния, легированные алюминием и покрытые углеродом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы лазерного излучения надпороговой мощности разрушают пластиковое покрытие с испарением водорода и кислорода, а оставшийся углерод покрывает нановискеры как внутри каналов, так и на поверхности за счет большой разницы в парциальных давлениях компонентов тонким слоем, обеспечивающим свободное проникновение лития в нановискеры.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы лазерного излучения надпороговой мощности испаряют алюминий из пластифицированной фольги, который начинает сокристаллизовываться с нановискерами кремния, при этом происходит легирование кремния акцепторной примесью и увеличение проводимости нановискеров.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы лазерного излучения надпороговой мощности создают на концах нановискеров оборванные химические связи из неспаренных электронов, обладающих повышенной сорбционной способностью, которая приводит к повышенной интеркаляции лития.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к периодически заряжаемому электрохимическому аккумуляторному элементу с положительным электродом, отрицательным электродом, сепаратором, расположенным между положительным и отрицательным электродами, электролитом на основе SO2 с содержанием увеличивающей его электропроводность соли активного металла аккумуляторного элемента.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения электродного материала для использования в составе Mg-ионных батарей, удовлетворяющих экологическим требованиям, что является актуальной проблемой энерготехники.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к полностью твердотельным литиевым батареям с пониженным изменением объема, вследствие заряда и разряда, а также к способу их изготовления.

Электрод для твердотельных аккумуляторов, содержащий резистивный слой с ПТКС, и твердотельный аккумулятор, содержащий электрод. Электрод может представлять собой электрод для твердотельных батарей, содержащий слой активного электродного материала, токосъемник и резистивный слой с ПТКС, размещенный между слоем активного электродного материала и токосъемником и соприкасающийся со слоем активного электродного материала; причем резистивный слой с ПТКС содержит электропроводящий материал, изолирующее неорганическое вещество и полимер.

Изобретение относится к области электротехники. Первичный химический источник тока представляет собой новый класс энергонасыщенных не перезаряжаемых химических источников тока на основе графена в электрохимической системе металл-окисленный углерод, где в качестве токообразующего компонента катода используют наноструктурный материал на основе графеноподобных материалов, обладающих повышенной разрядной емкостью за счет наличия различных кислородсодержащих функциональных групп, способных образовывать необратимые соединения с ионами активного материала анода (например, лития, натрия, магния, кальция, калия) при протекании токообразующего процесса (разряда).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к применению активного материала в составе отрицательного электрода на основе литированного оксида титана или титаната соответствующего состава, и может быть использовано в спутнике низкой околоземной орбиты (НОО), который имеет период обращения 95-105 минут, причем лишь 60-65 минут времени доступно для его перезарядки.

Изобретение может быть использовано при создании Na-ионных аккумуляторов. Способ получения катодного материала, содержащего Na3V2O2x(PO4)2F3-2x (0<х≤1), включает воздействие на реакционную смесь, содержащую оксид ванадия V2O5, дигидрофосфат аммония NH4H2PO4, фтористый натрий NaF, восстановитель катионов ванадия V+5 и воду, микроволновым излучением.

Изобретение относится к катодной смеси, к твердотельному аккумулятору и способу получения катодной смеси. Согласно изобретению, катодная смесь содержит: активный материал катода, содержащий элемент S; серосодержащее соединение, включающее в себя элемент M, который представляет собой Ge, Sn, Si, B или Al, и элемент S; проводящий вспомогательный материал; и при этом по существу не содержит элемент Li.

Изобретение относится к химическим источникам тока. Химический перезаряжаемый источник тока содержит в поперечном сечении чередующиеся слои катода, сепаратора и плоского анода.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности устройства аккумулирования мощности.

Изобретение относится к микродиспергаторам, в которых генерируются микрокапли преимущественно сферической формы нанолитрового и субнанолитрового объема, и далее сгенерированные капли могут быть использованы в химических, фармацевтических и других технологиях, в том числе для проведения массообменных процессов и химических реакций между реагентами, растворенными в каплях, либо растворенными в каплях и в сплошной среде, а также для последующего нанесения биологически активных веществ на поверхности сформированных капель.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий в гражданском и промышленном строительстве, монолитном строительстве, при возведении сооружений специального назначения.
Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении электронных приборов, а также для инжекции зарядов в объём конденсированных сред при криогенных температурах.

Изобретение относится к композиционным материалам для сохранения окружающей среды, для медицины и для фармакологии. При изготовления пористых нанокомпозитных кремниевых гранул используют нанопорошок кремния, а его суспензию приготавливают путем смешивания этого порошка с кремнезолем, полученным кислым гидролизом тетраэтоксисилана, предварительно разбавленным водным раствором поверхностно-активного вещества цетилтри-метиламмоний бромида, после чего полученные гранулы промывают и подвергают термической обработке при 500-900°С.

Изобретение относится к химической промышленности и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении композиционных полимерных материалов. По одному варианту углеродный материал (I), содержащий одностенные углеродные нанотрубки и не менее 50% углерода, приводят во взаимодействие с раствором хлорида железа с концентрацией не менее 0,1 М.

Изобретение относится к комбинированным теплоизоляционным системам и способу их сооружения. Комбинированная теплоизоляционная система, имеющая изоляционный слой, необязательно армирующий слой, нанесенный на изоляционный слой, и наружный слой, нанесенный на изоляционный слой или на армирующий слой при его наличии, отличающаяся тем, что наружный слой содержит композиционные частицы, которые содержат по меньшей мере один органический полимер в качестве органической полимерной фазы и по меньшей мере одно неорганическое твердое вещество, частицы которого распределены в органической полимерной фазе, при этом массовая доля неорганического твердого вещества составляет от 15 до 40 мас.% в пересчете на общую массу органического полимера и неорганического твердого вещества в композиционной частице, а размер композиционных частиц составляет от 5 до 5000 нм.

Изобретение относится к профилированию состава твердых растворов гетероэпитаксиальных структур при их росте. Способ при формировании структуры типа А2В6 на основе теллуридов элементов второй группы таблицы Менделеева включает измерения эллипсометрических параметров Ψ и Δ на одной длине волны света видимой области спектра.

Использование: в полупроводниковой технологии для изготовления нанотранзисторов и СБИС. Технический результат: электрическое легирование с помощью дополнительных затворов, позволяющее создавать более резкие p-n переходы, чем в туннельных транзисторах с физическим легированием; увеличение крутизны характеристик туннельных транзисторов и снижение их порогового напряжения; возможность изменения типа проводимости канала для применения предлагаемых транзисторов в КМОП технологии цифровых интегральных схем, упрощение технологии изготовления нанотранзисторов с нанометровыми затворами, отсутствие технологических операций, связанных с легированием, расширение функциональных возможностей нанотранзисторов, увеличение крутизны подпороговой характеристики за счет увеличения количества управляющих электродов и обеспечение работы в режиме туннельного транзистора.
Изобретение относится к способу получения нанокапсул гексогена, в котором в качестве ядра используют гексоген и в качестве оболочки нанокапсул - натрий карбоксиметилцеллюлозу.

Изобретение может быть использовано в топливных элементах, литий-ионных батареях, суперконденсаторах, электросорбционных установках очистных сооружений. Углеводород из ряда (CnH2n+n), например метан, используемый в качестве источника углерода, подают в термическую плазму предварительно смешанным с азотом в массовых соотношениях от 1:10 до 1:5 и обрабатывают в термической плазме, формируемой в плазмотроне, при пониженном давлении 300-700 Торр.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу создания наноструктурированного многослойного кремниевого анода для литиевых аккумуляторов. В предложенном способе на титановую подложку с двух сторон наносят поликристаллический кремний, затем на обе стороны приклеивают тонкую металлическую фольгу, размещенную внутри пластика, и облучают материал лазерным импульсным излучением надпороговой мощности, при этом образуются каналы, размер которых контролируется мощностью лазерного излучения, пространство между каналами заполняется кремниевыми нановискерами, покрытыми тонкой пленкой углерода. Упорядоченные нановискеры вырастают также и на стенках каналов. Такая обработка сложной гетероструктуры позволяет увеличить в 1000 раз объем анода и его прочность, поскольку кремниевые бездислокационные нановискеры обладают более высокой прочностью и меньшим значением модуля Юнга в сравнении с микрометрическими размерами кремния. Повышение емкости анода является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх