鍺復合磷酸鋰固體電解質薄膜性質的研究.pdf

1、固體電解質，作為一種具有離子導電性的固態(tài)物質，其應用已經(jīng)滲透到很多的領域，如新型固體電池、高溫氧化物燃料電池、離子傳導型傳感器件和太陽能電池等。其中固體電解質在鋰離子電池中有著極其重要的應用，其固態(tài)性質可以大大提高鋰離子電池的安全性，并且使手機等電子設備實現(xiàn)超長待機。在此之前研究較多的固體電解質薄膜為無定形態(tài)的LiPON，其離子電導率已達到1×10-6～3×10-6 S/cm。通過在磷酸鋰中摻雜氮元素，改善了磷酸鋰本身較差的離子電導率(

2、～10-18 S/cm)。近期，鍺元素和硫元素已經(jīng)被引入非薄膜態(tài)的固體電解質，并且已經(jīng)得到了比較理想的結果。本論文在此基礎之上，通過射頻磁控濺射方法實現(xiàn)了對磷酸鋰的不同材料組分的復合，初步分析了復合后固體電解質薄膜離子電導率提高或變化的原因，為今后進一步開展相關工作，并構建全固態(tài)電池提供了借鑒并奠定了基礎。本論文主要包括以下幾個方面的研究工作:
　　第一，采用磁控濺射方法，交替濺射磷酸鋰(Li3PO4)和鍺(Ge)靶材，制備了不同

3、厚度鍺層的三明治結構的Li3PO4/Ge薄膜固體電解質。通過調控鍺層的厚度，得到了電化學性質不同的固體電解質薄膜，并進一步優(yōu)化鍺層厚度為20nm，獲得了電化學性能相對優(yōu)異的薄膜固體電解質Li3PO4/Ge。其室溫下鋰離子電導率為1.5×10-6 S/cm左右，離子遷移數(shù)為99.97％，穩(wěn)定電壓窗口高達5V，并且時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性上都有著相對較好的表現(xiàn)。SEM（掃描電子顯微鏡）及XRD（X射線衍射）表征獲得了其形貌和結構特征，進一步的

4、XPS（X射線光電子能譜）分析揭示了在這種復合的Li3PO4/Ge薄膜固體電解質中，鍺原子可能與鋰原子和磷原子有著相互作用，這可能導致了快速的離子傳導。本工作首次提出了一種通過鍺復合來提高磷酸鋰基薄膜固體電解質鋰離子電導率的方法，此方法還可拓展至其他靶材，從而實現(xiàn)不同材料的復合。交替濺射幾種靶材的工藝流程，也為以后制備薄膜固體電解質、電極材料甚至全固體電池提供了一個新的視角。
　　第二，采用磁控濺射的方法交替濺射磷酸鋰和化合物硫化

5、鍺靶材，制備了Li3PO4/GeS2復合固體電解質薄膜。SEM表征明確了其非三明治結構，XRD信息則顯示了薄膜無定形的狀態(tài)。交流阻抗測試、直流極化測試和循環(huán)伏安測試揭示了其電化學性質。而進一步的XPS測試顯示薄膜中硫化鍺的成分并不存在或者含量極少，這表明硫化鍺在濺射過程中并沒有充分參與到薄膜的制備過程中。同時，研究了在氮氣氛圍下，單獨濺射硫化鍺靶材制備的薄膜的形貌狀態(tài)和濺射后靶材狀態(tài)，進一步分析其應用于制備固體電解質薄膜的可能性。