研究了全固態(tài)薄膜鋰電池制備方法、電化學(xué)性能和失效機制。采用磁控濺射和真空蒸鍍法制備出了容量為0.2、1.7和3.6mAh的全固態(tài)薄膜鋰電池。正極厚度為2μm時,由于正極結(jié)構(gòu)均勻、結(jié)構(gòu)合理,電池可以在室溫1 C下循環(huán)500次,容量保持率為96.02%;10 C下充放電循環(huán)穩(wěn)定。由于正極擴散系數(shù)相對較低,正極膜厚度或尺寸增加會顯著降低電池容量發(fā)揮率。全固態(tài)薄膜鋰電池循環(huán)后正極基本保持穩(wěn)定,但負(fù)極結(jié)構(gòu)會粉化,正極/固態(tài)電解質(zhì)固相界面存在元素的不可逆遷移擴散。這些結(jié)果為全固態(tài)鋰電池體系構(gòu)建、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備與性能失效分析提供了參考。 

【文章來源】：電源技術(shù). 2020年01期 北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

圖２?固態(tài)電解質(zhì)薄膜ＬｉＰＯＮ性能表征??２．２集流體、正極及固相界面結(jié)構(gòu)表征??要獲得較高比容量的電池，需要電池中正極具有較高的??

態(tài)電解質(zhì)界面處電壓迥異，使得??電極／固態(tài)電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性較差；鋰元素活性大、易變性，??制備過程需要進行嚴(yán)格控制；微儲能結(jié)構(gòu)中界面結(jié)構(gòu)多、鋰離??子傳輸對薄膜均勻性要求很高，這些問題導(dǎo)致全固態(tài)薄膜鋰??電池的發(fā)展一直較為緩慢％本文采用磁控濺射法制備電極、??集流體和固態(tài)電解質(zhì)，真空蒸鍍法制備金屬鋰負(fù)極，實現(xiàn)了不??同正極厚度和尺寸的全固態(tài)薄膜鋰電池制備，分析了其電化??學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，并對其失效行為進行了表征。??１全固態(tài)薄膜鋰電池制備??全固態(tài)薄膜鋰電池制備流程如圖１所示，（１）在玻璃襯底??上制備一層金屬鈦（Ｔｉ）薄膜，然后在其表面原位制備一層鉑??（Ｐｔ）薄膜，獲得正極集流體；（２）制備正極薄膜ＬｉＣｏ０２?（ＬＣＯ），然??后退火處理，獲得結(jié)晶的正極薄膜；（３）制備固態(tài)電解質(zhì)??ＵＰＯＮ；?（４）制備負(fù)極集流體，是雙層金屬薄膜，組分為銅（Ｃｕ）和??Ｐｔ；?（５）制備金屬鋰薄膜作為負(fù)極，之后進行封裝，形成全固態(tài)??薄膜鋰電池。其中，前４步制備過程采用磁控濺射法，第５步??采用真空熱蒸鍍法。??正極集流體??正極??ＬＣＯ??固態(tài)電解質(zhì)?負(fù)極集流缽??ＬｉＰＯＮ?Ｃｕ／Ｐｌ??電池鈸面??封裝層??負(fù)極??圖１?全固態(tài)薄膜鋰電池制備流程及樣品圖??由圖１可知，每一步制備的樣品表面都光滑、無衍射光??斑，說明樣品表面均勻性良好。樣品的制備是在不同掩模板的??輔助下進行的，每一批次可以制備３０個，每一步的尺寸都進??行了精確設(shè)計，避免發(fā)生短路現(xiàn)象。??ＬＣＯ作為經(jīng)典的鋰電池電極材料，其化學(xué)擴散系數(shù)（Ｄ）通??常僅有１０—９？ｌ（Ｔｕｃｍ２／ｓ＇在全固態(tài)薄膜鋰電池中，由于沒有??輔料

ｚｚｚｚ??專家特約??＜ａ）表丨財ＳＥＭ閣；（ｂ）?（ａ＞的放大圖；（ｃ）斷而ＳＥＭ圖；（ｄ）ＥＤＳｆｌ；??圖３?Ｐｔｍ集流體的表面、斷面ＳＥＭ圖和ＥＤＳ圖??Ｔｉ０２，而由質(zhì)量比可知，Ｐｔ極少被氧化，可以保證良好的傳導(dǎo)??特性。??采用射頻磁控濺射法在正極集流體Ｐｌ／Ｔｉ膜上制備Ｌｉ－??Ｃ〇０２薄膜作為正極。由于磁控濺射制備的介質(zhì)薄膜是無定形??的，通過驗證篩選，將制備好的薄膜放入５０（ＴＣ的不銹鋼爐子??中退火１０?ｈ，氣氛為空氣。??圖４為正極薄膜退火前后的表面與斷面ＳＥＭ圖，退火??前，薄膜較為致密，由納米尺度的粒子組成，厚度為１．５１?ｐｍ，??集流體的厚度為２１８?ｎｍ；退火后，薄膜出現(xiàn)明顯的裂痕，組成??的粒子出現(xiàn)長大現(xiàn)象，膜厚度降低為１．４３?ｊｍｉ，值得關(guān)注的是??集流體的厚度增加到３０８?ｎｍ，可能是在退火中存在一定的氧??化現(xiàn)象。對比退火前后的斷面圖可以發(fā)現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)整體上是致??密的，晶柱結(jié)構(gòu)在退火前是模糊的，而在退火后能夠明顯看出??晶柱的界限，說明退火后正極薄膜具有良好的結(jié)晶性。??（ａ）？（ｃ）退火前：退火后??圖４?正極薄膜退火前后的表面與斷面ＳＥＭ圖??圖５為正極薄膜退火前后的ＳＥＭ圖以及Ｒａｍａｎ曲線，退??火前，薄膜呈明顯的無定形，顆粒之間界限不明顯；退火后，薄??膜的組成粒子顯著長大，顆粒尺寸較為均勻，顆粒大小在４０？??７０?ｒｎｎ左右，具有較高的均勻性，說明正極薄膜具有良好的循??環(huán)穩(wěn)定性。Ｒａｍａｎ圖譜顯示，退火前膜結(jié)構(gòu)中存在一個屬于氧??化鈷的峰，退火后消失，說明退火實現(xiàn)了正極薄膜的晶化。??Ｕ）退火甜農(nóng)１６丨放大ＳＥＭｆｆｌ；?（１〇退火Ｇ表ｌｆｌ｛放大

【參考文獻】：
期刊論文
[1]全固態(tài)鋰電池研究進展[J]. 任耀宇.  科技導(dǎo)報. 2017(08)
[2]全固態(tài)薄膜鋰電池研究進展[J]. 吳勇民,吳曉萌,朱蕾,徐碇皓,田文生,湯衛(wèi)平.  儲能科學(xué)與技術(shù). 2016(05)
[3]全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 許曉雄,邱志軍,官亦標(biāo),黃禎,金翼.  儲能科學(xué)與技術(shù). 2013(04)



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