脈沖激光沉積是一種利用激光制備薄膜的工藝，具有沉積速度快、化學(xué)計量比保持好等優(yōu)點，已經(jīng)成功地應(yīng)用于高溫超導(dǎo)薄膜、鐵電薄膜、壓電薄膜以及鋰電薄膜等的制備。但是，脈沖激光沉積設(shè)備的一次性投入較高，傳統(tǒng)自組裝設(shè)備的操作繁瑣，限制了該工藝的應(yīng)用。富鋰正極材料是Li2MnO3和LiMO2（M=Mn，Co，Ni）的連續(xù)固溶體，具有較高的比能量密度（300mAh/g），組成元素的儲量豐富，顯現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，但是目前對富鋰正極薄膜尚未有系統(tǒng)的研究報導(dǎo)。 為了研究脈沖激光沉積富鋰正極薄膜的有關(guān)問題，本文構(gòu)建了新型脈沖激光沉積系統(tǒng)，利用集成后的新型脈沖激光沉積系統(tǒng)制備富鋰正極薄膜，對所制備的富鋰正極薄膜的相關(guān)性能進(jìn)行表征，研究工藝參數(shù)對富鋰正極薄膜制備的影響規(guī)律，探索制備富鋰正極薄膜的合適工藝參數(shù)，并對其在全固態(tài)電池中的應(yīng)用進(jìn)行了探索性研究。 針對原有及傳統(tǒng)脈沖激光沉積設(shè)備存在的問題，本文通過對軟硬件的改進(jìn)，將真空規(guī)管控制器ACM1000、渦輪分子泵控制器ACT600T、加熱控制器SRS10A以及步進(jìn)電機等通過串口通信和I/O口控制與電腦整合，構(gòu)建了新型脈沖激光沉積系統(tǒng)，實現(xiàn)了沉積過程的程序化自動運行，簡化了脈沖激光沉積系統(tǒng)的操作，實現(xiàn)了脈沖激光沉積過程的可視化控制，實現(xiàn)了多靶逐層沉積，解決了傳統(tǒng)脈沖激光沉積系統(tǒng)普遍存在的操作繁瑣、勞動強度大、不能進(jìn)行可視化多靶逐層沉積等問題。 利用構(gòu)建的脈沖激光沉積系統(tǒng)，本文采用單靶沉積和多靶沉積兩種方式制備了富鋰正極薄膜，并借助FESEM、XRD、XPS以及電化學(xué)充放電測試儀等對富鋰正極薄膜的形貌、成分、充放電特性、鋰離子擴散系數(shù)等特征與性能進(jìn)行了表征，得到了利用脈沖激光沉積方法制備富鋰正極薄膜的合適工藝參數(shù)。試驗結(jié)果表明，單靶沉積得到的富鋰正極薄膜表現(xiàn)出與粉體富鋰正極材料相似的電化學(xué)特征，放電容量可以達(dá)到70μAh/cm2μm （~140mAh/g），大于目前有報導(dǎo)的常規(guī)鋰離子電池正極薄膜的容量。試驗結(jié)果同時表明，氧壓低于200mTorr時，趨向于形成尖晶石結(jié)構(gòu)相，氧壓高于450mTorr時，薄膜中鋰含量不足，得不到富鋰正極薄膜；退火溫度低于700℃時，薄膜的結(jié)晶性差，沒有明顯的放電平臺，退火溫度高于900℃時，薄膜表現(xiàn)為尖晶石結(jié)構(gòu)相，同時由于退火過程中大量鋰離子的散失，薄膜的電化學(xué)性能較差。試驗中得到的富鋰正極材料的鋰離子擴散系數(shù)為1×10-15~1×10-13cm2/s。 基于富鋰正極薄膜，本文制備了Li-rich/LLZO/Li、Li-rich/LAGP/TiO2、Li-rich/LICGC/Li三種全固態(tài)電池，在對LLZO和LAGP電解質(zhì)薄膜、TiO2負(fù)極薄膜以及全固態(tài)電池相關(guān)問題分析的基礎(chǔ)上，對基于富鋰正極薄膜的全固態(tài)電池進(jìn)行了探索性研究。Li-rich/LLZO/Li由于LLZO電解質(zhì)薄膜的低離子電導(dǎo)率以及金屬鋰負(fù)極與LLZO薄膜的界面問題，未能表現(xiàn)出富鋰正極材料的電化學(xué)特征。Li-rich/LAGP/TiO2表現(xiàn)出了富鋰正極材料的充放電特征以及3nA/cm2電流密度下5小時的放電過程。Li-rich/LICGC/Li表現(xiàn)出了由富鋰正極薄膜各組成元素化合價變化引起的充放電峰位，并在50nA/cm2電流密度下表現(xiàn)出了40分鐘的放電過程。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TM912;TN249
【部分圖文】：

博士學(xué)位論文 第 1 章 緒 論沉積技術(shù)簡介沉積的原理與特點積（Pulsed Laser Deposition, PLD）是一種利用高膜的物理氣相沉積工藝。如圖 1.1 所示，脈沖激腔和控制系統(tǒng)三個部分組成，激光器提供高頻脈特殊環(huán)境，控制系統(tǒng)用于控制調(diào)整各個工藝參數(shù)制備：高頻脈沖激光沖擊處于真空腔中的靶體材等離子體，等離子體定向局域膨脹發(fā)射，在基底

控制系統(tǒng)用于控制調(diào)整各個工藝參數(shù)制備：高頻脈沖激光沖擊處于真空腔中的靶體材等離子體，等離子體定向局域膨脹發(fā)射，在基底圖 1.1 脈沖激光沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理[1]積的整個過程可以分為三個階段，如圖 1.2 所示

該部分趨向于非化學(xué)計量比，在有特殊氣體時會被壓縮；二是圖1.3 中的內(nèi)部白亮部分，該部分的元素化學(xué)計量比保持得好，速度可以達(dá)到 1×104m/s，可以激活跟氧氣的反應(yīng)，打斷氧分子，在有特殊氣體時，不會被壓縮。因而在調(diào)整靶體與基底之間的距離時，要使基底盡量靠近白亮區(qū)域，如圖 1.2 所示，靶體與基底之間的距離一般在 3~10 cm。圖 1.3 脈沖激光沉積過程中產(chǎn)生的等離子體3. 等離子體在基底表面沉積，形核生長形成薄膜等離子體在基底上的沉積可以分為 6 個階段：1）等離子體吸附在基底表面；2）吸附物向基底擴散；3）吸附物之間以及吸附物與基底之間相互反應(yīng)；4）吸附物聚集形核；5）形成一定的結(jié)構(gòu)和形貌；6）薄膜內(nèi)部以及薄膜與基底之間相互擴散。6 個階段描述了薄膜在基底表面生長的過程。根據(jù)這 6 個階段，在脈沖激光沉積時需要注意以下幾個方面：1）為了保證薄膜與基底之間較好的結(jié)合性，基
【參考文獻(xiàn)】

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1 張玉璽;張曉麗;鄭洪河;;鋰離子電池負(fù)極材料TiO_2的研究進(jìn)展[J];電池;2009年02期

本文編號：2852277