РАЗДЕЛ 2
ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ОДНОСЛОЙНЫХ И МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТНЫХ
ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ
ЛИТИЙ-МАРГАНЦЕВОЙ ШПИНЕЛИ НА АЛЮМИНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
В последнее время, благодаря интенсивным теоретическим и экспериментальным
исследованиям, в технологии получения тонких пленок и покрытий для изготовления
электродных материалов, в частности катодных материалов, достигнут значительный
прогресс. В зависимости от решаемой задачи в распоряжении исследователей
имеются различные методики и технологии изготовления электродных материалов,
дающие возможность получения покрытий с воспроизводимыми и стабильными
свойствами.
Существуют различные методы получения пленок и покрытий для производства
электродов современных химических источников тока и элементов микроэлектроники
[72 – 105].
В зависимости от назначения тонких пленок и покрытий, их свойства могут
варьировать в широком диапазоне: толщина – от нанометров до миллиметров;
внутреннее сопротивление – от низкого до величин у диэлектриков; пористость –
от 0 до 80 %; структура их должна быть гомогенной или гетерогенной. Важна
также, хорошая адгезия покрытия к подложке и другие специфические свойства
покрытий, обеспечивающие высокую емкость химических источников тока (ХИТ).
Несмотря на продолжительное развитие методов получения тонких пленок и
покрытий, а также значительные успехи в их получении, существуют нерешенные
проблемы, связанные с многообразием их применения, требований к ним и исходным
материалам, к скорости их нанесения. В ряде случаев нанесение покрытий – очень
дорогостоящий процесс, требующий значительных затрат электроэнергии,
осуществления регенерации растворителей и т.п.
Предложен ряд методов получения тонких пленок, открывающих дополнительные
возможности по точному контролю их состава. При управлении составом тонких
пленок удается добиться ряда уникальных свойств, которые недостижимы в объемных
формах. Имеется информация о способах получения контролируемых и изменяемых по
составу тонких пленок и покрытий.
Методы получения тонких пленок и покрытий подразделяются на:
химические и газофазные химические методы СVD (CVD – Chemical Vapour
Deposition), где реализация процесса связана с осаждением пленок на подложке в
ходе химической реакции;
механические – коатинг («Coating process») процесс, в котором вещество,
растворенное в растворителе, наносят на подложку, а затем растворитель
удаляют;
физические или конденсационные PVD (PVD – Physical Vapour Deposition).
2.1. Химические методы, их достоинства и недостатки [74 – 76]
В основе технологии химического осаждения лежит образование материалов как
результат химической или окислительно-восстановительной реакции подложки со
средой, т.е. между шихтой, состоящей из заданных компонентов, и подложкой или
между компонентами самой шихты.
Ниже рассмотрен ряд групп методов синтеза тонких пленок.
Метод химического газового осаждения из пара
В этом случае компоненты материалов находятся в состоянии насыщенного при
заданной температуре пара, а химическая реакция проходит в газовой фазе с
последующим осаждением продуктов на подложку.
Достоинства данных методов: дешевизна, простота метода, высокая скорость
процесса.
Недостатки: изменение состава раствора или газовой среды в процессе реакции и,
как следствие, недостаточный контроль за технологическим процессом; появление
на поверхности газообразных продуктов реакции, вследствие чего возможно
получение пористой поверхности.
Электролитический метод
Тонкие пленки могут быть получены в результате электролиза раствора или
расплава. В данном случае катодом является подложка.
Достоинства те же, что и в методе химического газового осаждения из пара, т.е.
дешевизна, простота метода, высокая скорость процесса.
Недостатки метода: подложка должна быть токопроводящей; загрязнение
гальванической ванны продуктами распада.
Среди химических методов получения тонких покрытий в последнее время довольно
широко развивается так называемый метод спрей–пиролиза, заключающийся в
распылении на разогретые подложки аэрозолей, включающих термически
разлагающиеся соли соответствующих компонентов сложных или простых оксидов.
Метод высокотемпературного спекания порошков активного вещества и металлов
Этот метод характеризуется диффузионным контактом между несколькими частицами
при низком сопротивлении. Спеченные катоды характеризуются низким внутренним
сопротивлением и, в принципе, могут быть использованы в высокомощных батареях.
Такие катоды обладают следующими недостатками:
большая масса и низкая удельная емкость применяемых металлических компонентов;
процесс спекания довольно длительный, за счет чего увеличивается себестоимость
батарей;
спекание осуществляется при высоких температурах, что делает невозможным
применение метода для производства катодов на основе марганца, кобальта и
других шпинелей, температура возгонки которых находится в пределах 700 – 1000°
С.
2.2. Механические методы, их достоинства и недостатки [103, 105]
Коатинг процесс широко используется для получения электродных материалов
(катодов и анодов) для ХИТ. Метод основан на смешивании частиц активного
вещества, токопроводящей добавки и связующего с органическим растворителем
(например, с ацетоном) до образования пастообразного состояния – слури.
Последнюю, наносят на токопроводящий коллектор, в роли которого выступает
металлическая фольга, далее высушивают электрод и прокатывают. В настоящее
время данная технология широко используется для производства большинства
электродных материалов для литий-ионных батарей.
Электроды, полученные по данной технологии, выдерживают
- Київ+380960830922