Search academic texts

Registration Number

0824U001079, PhD dissertation

Title

Structural and morphological characteristics and electrophysical properties of porous condensates of Zn, Ni, Cu and their oxides in a combination of C and Si

Author

Stanislav Shevchenko,

popup.head Vyacheslav Perekrestov
popup.opponent Serhii Lytovchenko
popup.opponent Galyna Dovbeshko
popup.review Anatoliy Opanasyuk
popup.review Larisa Odnodvorets

Status

Доктор філософії, 105, Прикладна фізика та наноматеріали

Date

05-03-2024

Description

В даній роботі на основі універсального технологічного підходу, основою якого є конденсація пари з малим відносним перенасиченням, були отримані пористі мікро– та наноситеми Zn і Сu, які в подальшому були використані, як прекурсори для отримання шару пористого турбостатного пористого графіту, а також пористих систем NiO, ZnO та Si. У літературному огляді дисертаційної роботи описані особливості використання різних типів матеріалів у якості анодів для літій-іонних акумуляторів. Аналіз літературних джерел показав, що широко вживаний в якості електродів графіт дозволяє інтеркалювати тільки один іон літію в шість атомів вуглецю, що відповідає теоретичній еквівалентній ємності 372 Агод/кг. Окрім цього, швидкість дифузії літію в вуглецевому матеріалі становить від 10-12 до 10-6 см2/с (для графіту вона знаходиться в межах 10-9 – 10-7 см2/с), що створює передумови для низької потужності ЛІА. Отже, існує нагальна потреба замінити графітні аноди, або удосконалити їх структуру з метою підвищення ємності та питомої потужністі, які також можуть забезпечити високу продуктивність і полегшити дифузію Li-іонів в анод при збереженні відтворюваних циклів. Також за теоретичними розрахунками відомо, що ZnO, як анодний матерал має ємність 978 Агод/кг. При цьому аналіз літератури показує, що значну перспективу використання в якості ефективних електродів також мають пористий кремній та NiO. У другому розділі описані технологічні підходи отримання пористих мікро– та наносистем на різних типах підкладок, а також наведено принцип роботи розробленої установки. Оскільки формування пористих систем металів можливе тільки за умови використання високочистого інертного середовища (Ar), в роботі значна увага була акцентована на очищенні аргону від хімічно активних газових домішок. У зв’язку з цим використовували вакуумну робочу камеру установки ВСА-350 разом з системою тонкого очищення інертних газів. Для отримання пористого турбостратного графіту з різними морфологічними характеристиками був використаний розроблений і запатентований технологічний підхід близько–рівноважної конденсації в пустотілому катоді. При цьому в якості робочого газового середовища була використана пара ацетону. Було продемонстровано, що селективність просторового розподілу зародження та росту стовпчастих графітових структур визначається флуктуацією напруженості електричного поля над поверхнею росту. Виходячи з того, що при створення ЛІА та газових сенсорів, як правило, використовувалися багатошарові системи, виникала необхідність вирішення проблем адгезії та когезії конденсатів. В роботі проблеми адгезії та когезії вирішувалися трьома способами. Перший з них полягав в використанні підкладок з лабораторного скла та ситалу з неполірованою шорсткою поверхнею. Проблеми адгезії і когезії також вирішувалися завдяки використання хромових прошарків, а третій варіант вирішення проблеми когезії при формуванні композитів вирішувався градієнтним переходом від одного прошарку до іншого. Третій розділ містить інформацію про наносистеми на основі Zn, ZnO та ZnO/NiO для використання останніх в якості активних елементів газових сенсорів. Формування пористих наносистем ZnO/NiO представлено в роботі у вигляді трьох етапів: а) за умови конденсації пари цинку з наднизьким пересиченням проводилося формування наносистем у вигляді пов’язаних між собою нанониток; б) окислення на отриманих наносистемах Zn; в) нанесення на отримані наносистеми ZnO реактивним методом плівки NiO. При цьому в якості електродів були використані стійкі до окислення ІТО–плівки, які по відношенню до наносистем ZnO мали омічний характер. Сенсорні властивості досліджувалися по відношенню до метану та метанолу, а тип зазначених реагентів визначався за допомогою встановлення змін характеру вольт-амперних характеристик (ВАХ) з залученням автоматизованих систем та при використанні комерційного програмного забезпечення LabView. При цьому характерні зміни ВАХ при переході від метанолу до метану вказують на фрактально-перколяційний характер наносистем ZnO/NiO та на можливість розпізнавання різних реагентів. В четвертому заключному розділі були досліджені структурно–морфологічні характеристики та результати використання в якості електродів ЛІА таких пористих наносистем, як ZnO, Zn/ZnO, Zn/C, Ni/C, Si та Cu/Si+W. Дослідження циклів заряду-розряду з використанням пористих наносистем на основі ZnO, Zn/ZnO, як електродів та розчинників LiPF6 і LiBF4, показують, що залежно від структурно-морфологічних характеристик, елементного складу та кількості циклів, коефіцієнт ємності батареї варіюється від 800 до 218 Агод/кг. Приведені дослідження щодо структурно–морфологічних характеристик пористих наносистем кремнію. Порівняльний аналіз роботи електродів на основі систем Cu/Si та Cu/Si+W дозволив зробити висновок про більш низьку стійкість до окислення кремнію без добавки вольфрама і, як наслідок, значно вищі ємності (320 Агод/кг) електродів на основі Cu/Si+W.