Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Ogljikove nanostene za supekondenzatorje prihodnosti

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
2.09.00  Tehnika  Elektronske komponente in tehnologije   

Koda Veda Področje
T150  Tehnološke vede  Tehnologija materialov 

Koda Veda Področje
2.05  Tehniške in tehnološke vede  Materiali 
Ključne besede
ogljikove nanostene, hitra sinteza, CO2 plazma, depozicija, mehanizmi depozicije, superkondenzatorji
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (18)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  18271  dr. Miha Čekada  Materiali  Raziskovalec  2019 - 2022  441 
2.  18635  Tatjana Filipič    Tehnični sodelavec  2019 - 2022  24 
3.  15601  Jožko Fišer    Tehnični sodelavec  2019 - 2022  12 
4.  51483  Blaž Kaplan    Raziskovalec  2019 - 2022 
5.  15703  dr. Janez Kovač  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2022  677 
6.  52051  dr. Dane Lojen  Elektronske komponente in tehnologije  Mladi raziskovalec  2019 - 2022  13 
7.  10429  dr. Miran Mozetič  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2022  1.354 
8.  26463  dr. Matjaž Panjan  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2022  227 
9.  51482  Andrej Petrič    Tehnični sodelavec  2019 - 2022 
10.  06527  Branko Petrič  Električne naprave  Raziskovalec  2019 - 2022  23 
11.  33326  dr. Gregor Primc  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2022  266 
12.  34451  dr. Nina Recek  Biotehnologija  Raziskovalec  2019 - 2022  85 
13.  29669  Majda Rus  Električne naprave  Raziskovalec  2019 - 2022 
14.  31482  Jure Slovša    Tehnični sodelavec  2019 - 2022 
15.  52497  Maja Šukarov    Tehnični sodelavec  2019 - 2022 
16.  17622  Janez Trtnik    Tehnični sodelavec  2019 - 2022  18 
17.  20048  dr. Alenka Vesel  Elektronske komponente in tehnologije  Vodja  2019 - 2022  692 
18.  50893  Matjaž Zupan  Električne naprave  Raziskovalec  2019 
Organizacije (3)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0106  Institut "Jožef Stefan"  Ljubljana  5051606000  90.987 
2.  2341  INDUKTIO družba za tehnični razvoj in svetovanje d.o.o.  Ljubljana  1840711  23 
3.  3549  NELA, razvojni center za elektroindustrijo in elektroniko, d.o.o.  Železniki  3962237  79 
Povzetek
Induktivno sklopljena radiofrekvenčna plinska plazma (ICP) se bo uporabljala za hitro nanašanje vertikalno orientiranih grafenskih lističev (v nadaljevanju: ogljikovih nanosten). Struktura bo primerna za izdelavo kondenzatorjev vrhunskih lastnosti. Ogljikove nanostene bomo nanašali iz prekurzorjev, sintetiziranih in-situ v plazemskem reaktorju pri interakciji med reaktivnimi plinskimi delci, ustvarjenimi v zmerno ionizirani plazmi, značilni za ICP v H-načinu. Delovni plin bo ogljikov dioksid. Radikali, kot so O atomi in CO molekule v vzbujenih stanjih bodo reagirali z grafitom, nameščenim znotraj reakcijske komore, pri čimer bodo nastale metastabilne oksokarbonske molekule z velikim razmerjem C/O. Oksokarbonske molekule bodo v reakcijski komori difundirale, dokler ne bodo dosegle substrata, kjer bodo razpadle in tako zagotavljale gradnike za ogljikove nanostene. Želena hitrost rasti bo reda okoli 100 nm/s, kar je več velikostnih redov večje od hitrosti dobljene pri standardni metodi plazemsko pogojene kemijske depozicije iz parne faze (PECVD) s prekurzorjem iz ogljikovodikov. Preučevali bomo lastnosti ogljikovih nanosten glede na parametre razelektritve. Cilj je optimizacija tehnologije za sintetiziranje debelega sloja ogljikovih nanosten z debelino okoli 5 mikrometrov nanešenega enakomerno na površino podlage velikosti približno 100 cm2 v časovnem merilu okoli 10 sekund. Najboljši pogoji nanašanja glede enakomernosti, hitrosti rasti in lastnosti ogljikovih nanosten ter energetske učinkovitosti bodo določeni eksperimentalno. Temeljita karakterizacija vzorcev, deponiranih pri različnih pogojih, bo omogočila ugotovitev korelacije med parametri razelektritve in kinetiko nanašanja. Tudi plazmo bomo sistematično karakterizirali, kar bo omogočilo vzpostavitev korelacije med plazemskimi parametri in lastnostmi nanosov ogljikovih nanosten. Vzorce bomo nadalje obdelali z blago plinsko plazmo, da bi dobili boljše lastnosti površine, vključno z omočljivostjo, ki jo bomo poljubno spreminjali v območju med superhidrofobno in superhidrofilno. Komercialno zanimive rešitve bomo zaščitili s patentno prijavo, znanstvene vidike pa bomo objavili v znanstvenih člankih.
Pomen za razvoj znanosti
Znanstveni preboj je povsem nov pristop k sintezi visoko usmerjenih ogljikovih nanomaterialov. Kolikor nam je znano, ni bilo do sedaj v znanstveni literaturi še nobenega poročila o uporabi metastabilnih plinskih molekul, ki vsebujejo oksokarbone, za sintetiziranje tankih plasti ogljikovih nanosten. Skoraj vsi avtorji uporabljajo CHx radikale za sintetiziranje ogljikovih nanosten. Pričakovani rezultati bodo publikacije v prestižnih multidisciplinarnih revijah z zelo visokim faktorjem vpliva. Natančneje bomo razkrili povsem nov pristop k nanašanju visoko orientiranih struktur s plazemsko pogojeno kemijsko depozicijo iz parne faze (PECVD). Trenutni pristop zajema vpust plinskih prekurzorjev v reakcijsko komoro, pri čimer v plazmi pride do nastanka želenih radikalov. Radikali se nato kondenzirajo na substratu, kjer tvorijo trdno plast nanosa. Naš pristop je dodajanje preprostega plina (ogljikovega dioksida) v reakcijsko komoro, kjer ga radikaliziramo in omogočimo, da omenjeni radikali (zlasti O in CO) reagirajo s površino segretega grafita, pri čimer se formirajo molekule, o katerih znanstvena literatura zelo redko poroča. Dober pregled oksokarbonov, katerih obstoj so dokazali ter hipotetičnih oksokarbonov, je predstavljen v Wikipediji https://en.wikipedia.org/wiki/Oxocarbon. Dokazali so, da obstajajo linearni ogljikovi dioksidi in monoksidi (kljub temu, da so nestabilni), vendar je malo verjetno, da bodo nastali na površini grafita. Okside grafena so sintetizirali in uporabljali številni avtorji, vključno s člani naše skupine, vendar so trdni in imajo zelo nizek parni tlak pri temperaturah, uporabljenih v naših eksperimentih. Naš predlog je nastanek do sedaj neznanih oksokarbonov, ki se tvorijo na površini grafita in se nato pri povišani temperaturi (med 500 in 1000 °C) desorbirajo s površine grafita. Te desorbirane molekule so v plinski fazi precej stabilne, vendar nato razpadajo na segretih kovinskih površinah, tako da tvorijo ogljikove nanostene.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati predlaganega projekta bodo našemu industrijskemu partnerju in sofinancerju tega projekta omogočili kritično oceno uporabnosti inovativne tehnologije za nanašanje ogljikovih nanosten v industrijskem obsegu. Če so rezultati v skladu s hipotezo in dosežemo cilj enakomernega nanosa na površini 100 cm2, pridobljenih v času obdelave približno 10 s, bo podjetje vlagalo v nadaljnje industrijske raziskave z namenom razviti napravo za nanašanje ogljikovih nanosten na substrate v neprekinjenem načinu. Družba Iskra Kondenzatorji ima trden tržni delež v določenih vrstah kondenzatorjev - skoraj vsa proizvodnja se izvaža, pomemben trg pa je vzhodna Azija. Podjetje ima ambiciozne načrte za vstop v nišo superkondenzatorjev, katerih tržni potencial je ogromen. Trenutno je trg superkondenzatorjev še vedno majhen nišni tržni segment celotne prodaje v letu 2016, nekaj več kot 400 milijonov USD. Leta 2016 je IDTechEx napovedal rast prodaje do leta 2026 do 2 milijarde dolarjev, letno povečanje za približno 24% https://www.idtechex.com/research/reports/ supercapacitor-technologies-and-markets-2018-2028-000568.asp. Omejitveni dejavnik je zagotovo cena. Tehnologija, ki bo raziskana v okviru predlaganega projekta, obljublja veliko nižje stroške kot pri sedanjih superkondenzatorjih. Kot je pojasnjeno v opisu projekta, bo naša inovativna tehnika uporabila ogljikov dioksid kot delovni plin in grafit kot vir prekurzorjev oksokarbonov, zato bodo materialni stroški zanemarljivi. Glavne stroške pripisujemo električni energiji za napajanje generatorjev RF, vendar pa se bo njihova učinkovitost lahko izboljšala v fazi industrijskih raziskav, ki se bodo, upajmo, začele še pred koncem tega aplikativnega projekta.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Vmesno poročilo
Zgodovina ogledov
Priljubljeno