銅摻雜五氧化二釩薄膜電極的制備及其在微型全固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，微型設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入人們的生活。大體積的外接電源限制了微設(shè)備的推廣應(yīng)用，同時(shí)電源也逐漸向微小型化方向發(fā)展，進(jìn)一步研究將微電源跟微設(shè)備集成在同一芯片上成為了新的發(fā)展趨勢(shì)。全固態(tài)薄膜鋰離子電池具有能量密度高、電壓高、循環(huán)性能好和安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，并且制備工藝與MEMS的集成相兼容，是最適合應(yīng)用于MEMS器件上的集成微能源。本論文目的是研究銅摻雜對(duì)V2O5薄膜的電化學(xué)性能的影響，并以V2O5及其摻雜銅的Cu2.1V

2、O4.4薄膜做為負(fù)極薄膜，研制了微型全固態(tài)薄膜鋰離子電池。研究成果對(duì)今后的微型薄膜鋰離子電池的研究和應(yīng)用都具有重要的借鑒參考意義。
　　在本論文中，首先對(duì)全固態(tài)薄膜鋰離子電池中的負(fù)極材料V2O5及其摻雜銅薄膜進(jìn)行研究。研究中采用釩和銅靶材，利用磁控共濺射制備V2O5及其摻雜不同比例的銅的薄膜，并對(duì)所制備后的薄膜進(jìn)行表征和分析，研究銅的摻雜比例對(duì)V2O5薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和化學(xué)成分的影響。再將制備后的薄膜組裝成紐扣電池，測(cè)試薄膜的

3、電化學(xué)性能。主要結(jié)論如下:
　　利用射頻磁控濺射釩靶材，可獲得晶態(tài)V2O5，而摻雜銅后，可獲得無(wú)定形態(tài)的銅釩氧化物。晶態(tài)的V2O5薄膜表面粗糙，顆粒成片狀結(jié)構(gòu)。銅的摻雜不僅增加了薄膜生長(zhǎng)速率，還提高了V2O5薄膜表面的平整度，使薄膜表面更加平整光滑，同時(shí)降低了表面的顆粒尺寸，提高了薄膜的致密性。摻雜銅后的銅釩氧化物，XPS結(jié)果表明銅離子以二價(jià)銅形式存在于化合物中，隨著銅的摻雜增多，V2p電子結(jié)合能會(huì)隨之下降，并導(dǎo)致低價(jià)態(tài)釩原子的增

4、多。
　　對(duì)所組裝的薄膜電極進(jìn)行循環(huán)伏安法和恒電流充放電測(cè)試表明，V2O5摻雜銅后有利于更多的Li+的嵌入，提高了V2O5薄膜電極的容量和循環(huán)性能，但銅的摻雜也增加了V2O5首次不可逆容量損失。銅的不同摻雜比例對(duì)V2O5電化學(xué)性能影響很大，其中Cu2.1VO4.4薄膜電極首次放電容量達(dá)到370.7μAh/cm2·μm，100次循環(huán)后還保留83.4μAh/cm2·μm，在整體上體現(xiàn)了較高的放電容量和較好的循環(huán)性能。
　　結(jié)合廈

5、門大學(xué)薩本棟微機(jī)電中心的實(shí)驗(yàn)條件，本論文設(shè)計(jì)了一種可制備全固態(tài)薄膜鋰離子電池的微加工工藝。以V2O5及其摻雜銅的Cu2.1VO4.4薄膜作為負(fù)極，制備了V2O5/LiPON/LiCoO2和Cu2.1VO4.4/LiPON/LiCoO2全固態(tài)薄膜鋰離子電池，并對(duì)所制備的微電池進(jìn)行形貌和電化學(xué)分析。所制備的微電池的活性材料層與層之間界面光滑平整，未見(jiàn)裂縫、微孔等缺陷。摻雜銅的Cu2.1VO4.4微電池比未摻雜的V2O5微電池在放電容量和循環(huán)

6、性能都有明顯提高。V2O5微電池和Cu2.1VO4.4微電池，在10nA的放電電流下，首次容量分別為4.1nAh和12.1nAh，在50nA放電電流下，首次容量分別為3.71nAh和10.3nAh。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作有:研究?jī)?yōu)化銅的摻雜比例對(duì)提高V2O5薄膜電極的電化學(xué)性能，利用磁控濺射技術(shù)制備了V2O5及其摻雜銅的薄膜，并系統(tǒng)研究了銅的摻雜對(duì)V2O5薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、化學(xué)成分以及電化學(xué)性能的影響;以V2O5及其