CC BY
4
УДК 621.359.3
Исокжанов Ш.Ш., Каковкина Ю.И., Лебедев Е.А., Рязанов Р.М., Кицюк Е.П.
ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ SUPER C45 И RuOi ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СУПЕРКОНДЕНСАТОРАХ
Исокжанов Шахбоз Шокиржон угли - магистрант 1-го года обучения института перспективных материалов и технологий; Isakianov2997@gmail.com.
Каковкина Юлия Ивановна - магистрант 2-го года обучения института перспективных материалов и технологий;
Лебедев Егор Александрович - кандидат технических наук, доцент института перспективных материалов и технологий;
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», Россия, Москва, Зеленоград, 124498, площадь Шокина, дом 1, строение 4.
Рязанов Роман Михайлович - младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории перспективных процессов;
Кицюк Евгений Павлович - кандидат технических наук, начальник научно-исследовательской лаборатории перспективных процессов;
ФГБНУ «Научно-производственный комплекс «Технологический центр», Россия, Москва, Зеленоград, 124498, площадь Шокина, дом 1, строение 7.
В статье рассмотрены особенности формирования электродных слоев на основе углеродсодержащего материала (Super C45) и оксида рутения методом электрофоретического осаждения для создания суперконденсаторов для широкого спектра применений в микроэлектронике. Была продемонстрирована возможность управления составом осадка за счет изменения состава исходной суспензии. Ключевые слова: электрофоретическое осаждение, электродный материал, суперконденсатор, суспензия.
ELECTROPHORETIC DEPOSITION OF ELECTRODE MATERIALS BASED ON SUPER C45 AND RuO2 FOR APPLICATION IN SUPERCAPACITORS
Isokjanov Sh.Sh.1, Kakovkina J.I.1, Lebedev E.A.1, Ryazanov R.M.2, Kitsyuk E.P.2
1 National Research University of Electronic Technology, 124498, Zelenograd, Moscow, Russia
2 Scientific-Manufacturing Complex "Technological Centre", 124498, Zelenograd, Moscow, Russia
The article discusses the features of the formation of electrode layers based on a carbon-containing material (Super C45) and ruthenium oxide by electrophoretic deposition to create supercapacitors for a wide range of applications in microelectronics. The possibility of controlling the sediment composition by changing the composition of the initial suspension was demonstrated.
Key words: Electrophoretic deposition, electrode material, supercapacitor, suspension.
Введение
Постоянный рост рынка портативной электроники способствует разработке миниатюрных источников питания. Отличия самих
суперконденсаторов (СК) как класса накопителей энергии состоят в высокой мощности, продолжительном жизненном цикле, а также удельной емкости, которая в несколько раз выше, чем у традиционных конденсаторов и сравнима со значениями аккумуляторов. Данные устройства могут накапливать заряд за счет образования двойного электрического слоя, а также за счет Фарадеевской псевдоемкости обратимых окислительно-восстановительных реакций.
Сочетания сразу двух данных механизмов накопления заряда позволяет существенно повысить емкостные характеристики устройства, сохраняя мощностные. Для этого стали использовать комбинацию из углеродсодержащих и оксидных материалов, каждый из которых сможет отвечать за определенный механизм.
Исходя из вышесказанного, разумней всего уделить внимание разработке композитных электродов, содержащих и углерод, который
выполнял бы роль матрицы, и оксидов металлов. В данных электродах углеродные наноматериалы будут выступать в качестве физического основания или каркаса для частиц оксида, а также сформируют каналы для более эффективного транспорта заряда. Высокая электрическая проводимость углеродных структур повысит стабильность при высоких токах и удельные значения мощности.
Существует достаточно много различных методов формирования электродного слоя: электрохимическое осаждение [1], золь-гель [2], послойное осаждение [3], аэрозольное распыление [4], химическое осаждение из газовой фазы [5]. Но не все эти методы являются экономически выгодными, простыми и эффективными. Также очень важно контролировать состав материала с высокой точностью. В рамках данной работы основным методом осаждения материала был выбран электрофоретический метод (ЭФО) благодаря его основным достоинствам: позволяет проводить осаждение многокомпонентных материалов, контролировать состав, толщину и пористость слоя, производить локальное осаждение на проводящий топологический рисунок.
Экспериментальная часть
Перед проведением процесса ЭФО разрабатывалась технология приготовления суспензии. Для этого использовался растворитель ацетон/изопропиловый спирт в соотношении 1:1, Super C45 и целлюлоза фиксированной концентрации 0,2 г/л, также оксид переходного металла RuO2 различной концентрации в диапазоне от 0,05-0,3 г/л. После диспергирования суспензии метод ЭФО проводился в электрофоретической ячейке, состоящей из двух электродов и источника питания.
На первом этапе исследовалась зависимость скорости осаждения от напряженности электрического поля (рис. 1). Была обнаружена практически линейная зависимость.
0,01
3
0 -
1
и
0,004
0,002
50 75 100 125 150
Напряженнос ть электрического поля, (В/см)
Рис. 1. Зависимость скорости осаждения от напряжения
Несмотря на то, что максимальная скорость осаждения достигалась при 150 В/см, формируемый слой характеризовался высокой пористостью и трескался после высыхания растворителя. Поэтому в качестве оптимального значения была выбрана напряженность поля 100 В/см.
Была приведена серия экспериментов с различной концентрацией оксида рутения в суспензии. Исходя из полученных данных, был построен график зависимости скорости осаждения композитного материала от концентрации оксида рутения (рис. 2). На данном графике видно, что максимальная скорость осаждения наблюдалась при концентрации 0,15 г/л RuO2.
3 *
о о й
г* ы
о г §■
и
и
0,3
О 0,03 0,1 0,15 0.2 025 Концентрация ПиСЬ, (г/л) Рис. 2. График зависимости скорости осаждения от концентрации Ям02
Все образцы исследовались с помощью
элементного анализа, после которого был рассчитан
коэффициент К. Данный коэффициент позволяет
определить соотношение углеродсодержащего
материала к оксидному (1).
ССаЬЦ)
" -7777"
где С (а(.%) -атомная концентрация углерода в электродном материале, О (&.%>) -атомная концентрация кислорода в электродном материале.
На рисунке 3 приведен график зависимости коэффициента К от концентрации оксида рутения. 70
60 о 50 40
30
о,о;
0,1
0.15
0.2
0,25
0,3
Концентрация Б^иО,, (г/л) Рис.3. Зависимость коэффициента К от концентрации Ям02 На графике видно, что с увеличением концентрации оксида рутения коэффициент К закономерно снижался.
Была изучена морфология образцов композитов с различной концентрацией оксида рутения с помощью ЭДРС картирования (рис. 4).
60 (jm
I 50 -in
50 ¡ И'
2 4 6
Рис. 4. Карты распределения элементов образцов с ЯпО^ирег С45 с концентрацией Ки02 2,5 мг (1, 3, 5) и 15
мг (2, 4, 6) соответственно
На ЭДРС фотографиях видно, что при низких концентрациях RuO2 наблюдалось точечное скопление частиц, а при увеличении концентрации оксида наблюдается более равномерное распределение. Содержание оксида рутения показало влияние не только на состав осадка, но и на скорость осаждения материала.
Заключение
В контексте электрохимических накопителей энергии были исследованы свойства материалов на основе Super C45 и оксида рутения и возможности контролирования параметров их формирования при помощи электрофореза. Увеличение содержания оксида рутения в суспензии от 0,05 г/л до 0,15 г/л ведёт к закономерному росту доли оксида рутения в получаемом композите более чем в 2,5 раза, что напрямую влияет на выходные характеристики электродов. С одной стороны, это предполагает большую удельную ёмкость за счёт возможных ОВР, с другой - снижение электропроводности, а также удельной площади поверхности и внутренней диффузии из-за заполнения пор, что, наоборот, отрицательным образом сказывается на ёмкости. Изменяя концентрацию оксида рутения, можно варьировать соотношение углеродосодержащего компонента в широком диапазоне, регулируя вклад каждого механизма накопления заряда.
Работа выполнена в рамках государственного задания 2020-2022 гг. соглашение FSMR-2020-0018 мнемокод 0719-2020-0018
Список литературы
1. Maeng J. Three-Dimensional Microcavity Array Electrodes for High-Capacitance All-Solid-State Flexible Microsupercapacitors / J. Maeng, Y.-J. Kim, C. Meng et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2016. - V. 8. -№21. - P. 13458-13465.
2. Wang Xingyan. Sol-gel template synthesis of highly ordered MnO2 nanowire arrays / Xingyan Wang, Xianyou Wang, W. Huang et al. // Journal of Power Sources. - 2005. - Vol. 140. - №1. - P. 211-215.
3. Alekseyev A.V. Effect of the Plasma Functionalization of Carbon Nanotubes on the Formation of a Carbon Nanotube-Nickel Oxide Composite Electrode Material / A.V. Alekseyev, E.A. Lebedev, I.M. Gavrilin et al. // Semiconductors. - 2018. - V. 52. -№15. - P. 1936-1941.
4. Mao X. All-solid-state flexible microsupercapacitors based on reduced graphene oxide/multi-walled carbon nanotube composite electrodes / X. Mao, J. Xu, X. He et al. // Applied Surface Science - 2018. - V. 435. - P. 1228-1236.
5. Галперин В.А. Суперконденсатор на основе УНТ с использованием псевдоемкости тонких слоев оксидов металлов / В.А. Галперин, Д.Г. Громов, Е.П. Кицюк и др. // Нано- и микросистемная техника. -2014. -Т.6. - №167. - С. 33-36.
