The object of research, development or design (in Russian) : Объектом исследования является технологический процесс осаждения графена на пористую поверхность токосъёмника с последующим осаждением на нём пористых плёнок оксидов переходных металлов (ОПМ) и их выбор на основе результатов исследования физико-химических свойств

The object of research, development or design (in Kazakh) : Зерттеу нысаны – графенді кеуекті тоқ коллекторының бетінде тұндыру, одан кейін оған өтпелі металл оксидтерінің (ӨМО) кеуекті қабықшаларын тұндыру технологиялық процесі және олардың физика-химиялық қасиеттерін зерттеу нәтижелері бойынша таңдау.

Aim of work (in Russian) : Цель работы – разработка способа осаждения графена на пористую поверхность токосъёмника методом CVD и в пламени, а также разработка метода последующего осаждения на нём тонких пленок микро- и мезо-пористых оксидов переходных металлов для получения электрода со структурой ОПМ/графен/3D-пористый металл/металлическая фольга

Aim of work (in Kazakh) : Жұмыстың мақсаты графенді тоқ коллекторының кеуекті бетіне CVD әдісімен және жалынмен тұндыру әдісін әзірлеу, сонымен қатар ӨМО/графен/3D-кеуекті металл/металл фольга структурасы бар электродты алу үшін өтпелі металл оксидтерінің микро және мезокеуекті жұқа қабықшаларын кейіннен графеннің бетіне тұндыру әдісін әзірлеу болып табылады.

Методы исследования (на русском) : Методы исследования: пористая структура электродов суперконденсатора была исследована на растровом электронном микроскопе (сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) фирмы JEOL (модель JSM-6490LA); элементный анализ проводили методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDАX); полученные образцы со структурой ОПМ/графен/3D-пористый металл/металлическая фольга исследовались на Раман спектроскопии (NTEGRA Spectra Raman, λ = 473 nm); рентгенофазовый анализ образцов был выполнен на ДРОН-6; электрохимические свойства электродов суперконденсатора были исследованы методом циклической вольтамперометрии, гальваностатического заряда-разряда и спектроскопии электрохимического импеданса с использованием потенциостата/гальваностата с модулем измерения EIS (Elins P-40X с FRA-24M).

Методы исследования (на казахском) : Зерттеу әдістері: суперконденсатор электродтарының кеуекті құрылымы JEOL (JSM-6490LA үлгісі) сканерлеуші электронды микроскопында (SEM) зерттелді ; элементтік талдау энергетикалық дисперсиялық рентгендік спектроскопия (EDAX); ӨМО/графен/3D-кеуекті металл/металл фольга құрылымы бар үлгілер Раман спектроскопиясы (NTEGRA Spectra Raman, λ = 473 нм) көмегімен зерттелді; үлгілердің рентгендік фазалық талдауы DRON-6-да жүргізілді; суперконденсаторға арналған электродтардың электрохимиялық қасиеттері циклдік вольтметрия, гальваностатикалық заряд-разряд және электрохимиялық кедергі спектроскопиясы арқылы EIS өлшеу модулі бар потенциостат/гальваностат (FRA-24M бар Elins P-40X) арқылы зерттелді.

Obtained results and novelty (in Russian) : Методом CVD получен на поверхности пористых токосъёмников (ПТС) 2-3 слойный графен (Gr), а в пламени – более 5 слоёв с наличием сажи и дефектов. ПТС с GR коррозионно-устойчив в электролитах. Разработаны методы осаждения пористых структур ОПМ (MnO2, Co3O4, Fe2O3), на графен/3D-пористый металл/металлическая фольга обеспечивающих большую контактную поверхность с электролитом. Структура MnO2, полученная методом электрохимического осаждения, имеет форму нитей, которые перпендикулярны поверхности ПТС, что обеспечивает большую поверхность контакта с электролитом. Катодная электроосажденная пленка Co3O4 имеет высокопористую структуру, состоящую из связанных между собой нанолистов Co3O4 толщиной ~60 нм. СЭМ показало, что нанолисты Co3O4 располагаются вертикально по отношению к поверхности ПТС, образуя пористую структуру в виде наностенки с высокой пористостью. Расстояние между нанолистами находится в диапазоне от 20 до 400 нм. Микроструктура Fe2O3 существенно отличается от микроструктур электродов на основе MnO2 и Co3O4. Слой Fe2O3 неравномерно покрывает поверхность токосъемника. Fe2O3 слой состоит из наноразмерных частиц диаметром ~ 80-160 нм. Удельная емкость ячейки при плотности тока 1 А/г на основе MnO2: без Gr – 196 Ф/г, с Gr – 281Ф/г; на основе Co3O4: без Gr – 1008 Ф/г, с Gr – 1237 Ф/г. По результатам исследований выбраны электроды с активным материалом на основе MnO2 и Co3O4.

Obtained results and novelty (in Kazakh) : CVD әдісімен кеуекті тоқ коллекторларының (КТК) бетінде 2-3 қабатты графен (Gr), ал жалында күйе және 5 қабаттан астам дефектіге ие графен алынды. Gr бар КТК электролиттерде коррозияға төзімді. Электролитпен үлкен жанасу бетін қамтамасыз ететін кеуекті ӨМО (MnO2, Co3O4, Fe2O3) құрылымдарын графен/3D-кеуекті металл/металл фольгаға тұндыру (отырғызу) әдістері әзірленді. Электрохимиялық тұндыру әдісімен алынған MnO2 құрылымы электролитпен жанасудың үлкен ауданың қамтамасыз ететін КТК бетіне перпендикуляр болатын жіптер пішініне ие. Катодты тоқ арқылы тұндырылған Co3O4 пленкасы қалыңдығы 60 нм өзара байланысқан Co3O4 нанопарақтарынан тұратын жоғары кеуекті құрылымға ие . SEM көрсеткендей, Co3O4 нанопарақтары КТК бетіне қатысты тігінен орналасып, кеуектілігі жоғары наноқапшық түріндегі кеуекті құрылымды құрайды. Нанопарақтар арасындағы қашықтық 20-дан 400 нм-ге дейін. Fe2O3 микроқұрылымы MnO2 және Co3O4 негізіндегі электродтардың микроқұрылымдарынан айтарлықтай ерекшеленеді . Fe2O3 қабаты тоқ коллекторының бетін біркелкі емес жабады. Fe2O3 қабаты диаметрі ~ 80-160 нм болатын наноөлшемді бөлшектерден тұрады. MnO2 негізіндегі 1 А/г тоқ тығыздығындағы ұяшықтардың меншікті сыйымдылығы: ГРжоқ - 196 Ф/г, GR бар - 281 Ф/г; Co3O4 негізінде: GR жоқ - 1008 Ф/г, GR бар - 1237 Ф/г. Электродтарды зерттеу нәтижелері бойынша MnO 2 және Co 3 O 4 негізіндегі белсенді материалы бар электродтар таңдалды.

The main constructive and technical economic indicators (in Russian) : На основе проведенной технико-экономической оценки технологического процесса получения графена на поверхности токосъёмника преимущество, с точки зрения получения качественного малослойного графена, имеет CVD метод. Однако с точки зрения масштабирования является экономически выгодным осаждение графена на поверхности токосъёмника в пламени при соответствующей доработке. Экономически выгодным и технологически простым методом осаждения пористых оксидов металлов в пористую структуру токосъёмника с графеном является метод электрохимического осаждения. В зависимости от области применения можно предложить суперконденсаторы с разным активным материалом. Например, с точки зрения дешевизны, преимущество имеют суперконденсаторы на основе оксида марганца. С точки зрения высокой удельной ёмкости, где дешевизна не является превалирующим фактором (например, космическая сфера), преимущество суперконденсаторов на основе оксида кобальта.

The main constructive and technical economic indicators (in Kazakh) : Тоқ коллекторының бетінде графен алудың технологиялық процесін орындалған техникалық-экономикалық бағалау негізінде CVD әдісі жоғары сапалы төмен қабатты графенді алу тұрғысынан артықшылыққа ие. Дегенмен, көп мөлшерде алу тұрғысынан тиісті нақтылаумен графенді коллектордың бетіне жалын ағымы арқылы қою экономикалық тұрғыдан тиімді. Кеуекті металл оксидтерін графенмен тоқ коллекторының кеуекті құрылымына тұндырудың экономикалық тиімді және технологиялық қарапайым әдісі электрохимиялық тұндыру әдісі болып табылады. Қолдану аймағына байланысты әртүрлі белсенді материалдары бар суперконденсаторлар ұсынылуы мүмкін. Мысалы, төмен баға тұрғысынан марганец оксидіне негізделген суперконденсаторлардың артықшылығы бар. Арзандық басым фактор болып табылмайтын жоғары меншікті сыйымдылық тұрғысынан (мысалы, ғарыштық сфера) кобальт оксидіне негізделген суперконденсаторлардың артықшылығы мол.

Level of implementation (in Russian) : Разработаны методы и получены электроды со структурой ОПМ/графен/3D-пористый металл/металлическая фольга для дальнейшего испытания в опытных образцах суперконденсаторов.

Level of implementation (in Kazakh) : Суперконденсаторлардың прототиптерінде одан әрі сынау үшін ӨМО/графен/3D-кеуекті металл/металл фольга құрылымы бар электродтарды алу әдісі әзірленді және алынды.

Efficiency (in Russian) : Кулоновская эффективность электрода на основе оксида кобальта в трёхэлектродной ячейке составляет 95%, а на основе оксида марганца составляет 99% при плотности тока 5000 мА/г, что говорит о медленном процессе саморазрядки суперконденсаторов. Сохранение емкости ячейки на основе оксидов переходных металлов составляет примерно 98% даже после 5000 циклов, что характеризует устойчивость созданных электродов и длительный процесс их эксплуатации.

Efficiency (in Kazakh) : Үш электродты ұяшықтағы кобальт оксидіне негізделген электродтың кулондық тиімділігі 95% және марганец оксиді негізіндегі тоқ тығыздығы 5000 мА/г болғанда 99% құрайды, бұл суперконденсаторлардың өздігінен разрядталу процесі баяу екендігін көрсетеді. Өтпелі металл оксидтеріне негізделген ұяшық сыйымдылығын ұстау тіпті 5000 циклден кейін шамамен 98% құрайды, бұл жасалған электродтардың тұрақтылығын және олардың ұзақ мерзімді жұмысын сипаттайды.

Field of application (in Russian) : Автономные системы электропитания, автомобильные гибридные электродвигатели, стартерные системы, быстрозаряжаемые и резервные аккумуляторные системы, источники резервного питания, для накопления и рекуперации электроэнергии, системы стабилизации напряжения, источника резервного питания для материнских плат.

Field of application (in Kazakh) : Автономды түрде тоқпен қамту жүйелері , автомобиль гибридті электр қозғалтқыштары, стартер жүйелері, жылдам зарядтау және резервтік аккумулятор жүйелері, энергияны сақтауға және қалпына келтіруге арналған резервтік қуат көздері , кернеуді тұрақтандыру жүйелері, аналық платаларға арналған резервтік қуат көздері.