全固態(tài)薄膜鋰電池的制備和儲(chǔ)能特性的研究.pdf

1、在石油、煤炭、天然氣等不可再生化石能源逐漸枯竭的今天，鋰離子電池作為一種既高效又環(huán)境友好的現(xiàn)代化儲(chǔ)能系統(tǒng)越來越受到人們的青睞。鋰離子電池在3C電子產(chǎn)品、新能源汽車、航空航天、大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域中正發(fā)揮越來越重要的作用。隨著智能化社會(huì)的來臨，各種電子器件偏向于微型化，全固態(tài)薄膜鋰電池作為一種安全、可靠的微能源器件也越來越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。
　　目前，全固態(tài)薄膜電池在制備和性能方面還存在一些問題。一方面，由于正負(fù)極、電解

2、質(zhì)、襯底、封裝層的存在，全固態(tài)薄膜電池電極材料的薄膜化不利于產(chǎn)生較高的能量密度。雖然拓寬電極材料的充放電區(qū)間可以有效提高能量密度，但高的充電截止電位會(huì)使得正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致循環(huán)性能不佳。另一方面，全固態(tài)薄膜鋰電池的結(jié)構(gòu)是多層薄膜的疊加，它對(duì)空氣中的微粒濃度要求極高，很容易因微粒引起的局部短路使得整個(gè)電池失效；此外，某些電解質(zhì)薄膜對(duì)空氣敏感的性質(zhì)加重了薄膜電池的工藝成本。
　　本論文主要對(duì)鈷酸鋰(LiCoO2)正極薄膜的

3、制備工藝，以及通過表面包覆來改善其高電位下的循環(huán)穩(wěn)定性開展了系統(tǒng)性研究，同時(shí)對(duì)全固態(tài)薄膜鋰電池的制備進(jìn)行了積極探索。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）比較了不銹鋼、鍍金不銹鋼以及鍍金石英玻璃三種襯底的使用對(duì)磁控濺射制備的LiCoO2薄膜電化學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步使用鍍金不銹鋼襯底研究了工作氣壓、功率對(duì)薄膜的影響，最終在230W的功率和2.5Pa的工作氣壓下獲得了性能最優(yōu)的LiCoO2薄膜。測(cè)試表明，該LiCoO2薄膜具有(003

4、)擇優(yōu)取向，其組分中Co3O4雜相較少，在電流密度為12μA cm-2，充放電區(qū)間為3.0V-4.5 V時(shí)，比容量可達(dá)到62.2μAh cm-2μm-1。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，LiCoO2薄膜與粉體電化學(xué)性能存在區(qū)別的原因是兩者在結(jié)晶性與元素比例方面具有差異。在上述制備工藝基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步采用磁控濺射對(duì)LiCoO2薄膜進(jìn)行了Al2O3的濺射包覆，最終測(cè)試表明Al2O3包覆30分鐘的LiCoO2薄膜在3.0V-4.5V下具有最佳的循環(huán)穩(wěn)定性，

5、在50周循環(huán)后容量保持率提升到了79.3％，而未包覆的樣品的保持率為66.6%。
　　（2）采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制備了氮化磷酸鋰（LiPON）固體電解質(zhì)薄膜，對(duì)Cu/LiPON/Cu三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明LiPON薄膜的電化學(xué)窗口大于5 V，離子電導(dǎo)率為1.70×10-6S cm-1，鋰離子遷移數(shù)大于0.991。在此基礎(chǔ)上結(jié)合制備LiCoO2薄膜的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了一種新型的薄膜電池結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)薄膜與