Разработка «Способ измерения коэффициента диффузии при неравновесной концентрации ионов в электролитах и устройство для его реализации» позволит оперативно определять ионную проводимость материалов в литий-ионных аккумуляторах (ЛИА) и, как следствие, изготавливать их в более миниатюрном формате.

Повод к исследованию - быстро растущий спрос на различные гаджеты, содержащие устройства микроэлектроники, например, карты с интегральными микросхемами и встроенными источниками питания (smart-карты), радиочастотные идентификационные метки (radio-frequency identifier − RFID), интеллектуальные часы и различные другие беспроводные устройства, включая «умный дом», интеллектуальную медицину и т.д. Модернизация, смена технологий, расширение функционала этих устройств требуют современного высокотехнологичного подхода к производству их источников питания, размер которых с каждым годом становится все меньше для удобства пользования самими гаджетами. Актуальные сегодня твердотельные тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы (микроминиатюрные источники питания) нуждаются в ином способе переноса заряда.

- Перенос заряда происходит в основном за счет диффузии ионов лития, - пояснил Александр Рудый. - Скорость диффузии определяется коэффициентом диффузии – важнейшей характеристикой материалов ЛИА. Существующие способы определения коэффициента диффузии не подходят для тонкопленочных ЛИА, в которых толщина электродов и электролита не превышает 2-х микрометров. Поэтому был предложен способ измерения коэффициента диффузии по параметрам автоколебаний, которые возбуждаются в системе регулирования, содержащей исследуемый материал для уменьшения габаритов аккумуляторов. Перенос заряда в этом материале осуществляется за счет процесса диффузии, который и определяет частоту автоколебаний.

Образец изобретения представляет собой тонкую пленку из исследуемого материала, нанесенную по технологиям микроэлектроники на твердую подложку. Внутри пленки находятся источник ионов и датчик концентрации ионов, разделенные материалом исследуемой пленки. Цепь обратной связи замыкается диффузионным потоком этих ионов. При большой глубине обратной связи в устройстве возникают автоколебания, частота которых напрямую связана с коэффициентом диффузии ионов лития. Собственно, глубина обратной связи, определяемая коэффициентом усиления регулятора, содержит информацию о времени релаксации, т.е. о времени затухания колебаний в потоке ионов.

Технический результат исследования – повышение точности и оперативности измерения коэффициента диффузии за счет использования меньшего числа экспериментально определяемых параметров, погрешность измерения которых мала в силу их физической природы. А ему сопутствующий – расширение области применения этого способа за счет твердых электролитов. Разработка поможет ученым и техническим специалистам определять ионную проводимость материалов ЛИА. И, как следствие, производить миниатюрные источники питания, так необходимые нашим современным гаджетам, нацеленным на скорость и легкость.

- Для этого будет достаточно предусмотреть в производстве каждой партии литий-ионных аккумуляторов изготовление так называемых тестовых структур, - подытожил ученый. - Их производство будет отличаться всего лишь на несколько дополнительных технологических операций, причем функционально тестовые структуры не будут отличаться от обычного ЛИА. Но это позволит осуществлять выходной контроль качества электродных материалов и электролита для каждой партии ЛИА.

* ЯрГУ им. П.Г. Демидова совместно с ЯФ ФТИАН им. К.А. Валиева РАН на протяжении 13-ти лет ведут научные исследования в области разработки тонкопленочных ЛИА как с жидким, так и с твердым электролитом. Настоящая разработка – результат совместной работы по проекту ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2021 годы».