全固态薄膜锂电池的制备与电化学性能表征
发布时间：2021-01-02 07:07
研究了全固态薄膜锂电池制备方法、电化学性能和失效机制。采用磁控溅射和真空蒸镀法制备出了容量为0.2、1.7和3.6mAh的全固态薄膜锂电池。正极厚度为2μm时,由于正极结构均匀、结构合理,电池可以在室温1 C下循环500次,容量保持率为96.02%;10 C下充放电循环稳定。由于正极扩散系数相对较低,正极膜厚度或尺寸增加会显著降低电池容量发挥率。全固态薄膜锂电池循环后正极基本保持稳定,但负极结构会粉化,正极/固态电解质固相界面存在元素的不可逆迁移扩散。这些结果为全固态锂电池体系构建、结构设计、制备与性能失效分析提供了参考。
【文章来源】：电源技术. 2020年01期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２?固态电解质薄膜ＬｉＰＯＮ性能表征??２．２集流体、正极及固相界面结构表征??要获得较高比容量的电池，需要电池中正极具有较高的??
态电解质界面处电压迥异，使得??电极／固态电解质界面的稳定性较差；锂元素活性大、易变性，??制备过程需要进行严格控制；微储能结构中界面结构多、锂离??子传输对薄膜均匀性要求很高，这些问题导致全固态薄膜锂??电池的发展一直较为缓慢％本文采用磁控濺射法制备电极、??集流体和固态电解质，真空蒸镀法制备金属锂负极，实现了不??同正极厚度和尺寸的全固态薄膜锂电池制备，分析了其电化??学性能与结构的相互关系，并对其失效行为进行了表征。??１全固态薄膜锂电池制备??全固态薄膜锂电池制备流程如图１所示，（１）在玻璃衬底??上制备一层金属钛（Ｔｉ）薄膜，然后在其表面原位制备一层铂??（Ｐｔ）薄膜，获得正极集流体；（２）制备正极薄膜ＬｉＣｏ０２?（ＬＣＯ），然??后退火处理，获得结晶的正极薄膜；（３）制备固态电解质??ＵＰＯＮ；?（４）制备负极集流体，是双层金属薄膜，组分为铜（Ｃｕ）和??Ｐｔ；?（５）制备金属锂薄膜作为负极，之后进行封装，形成全固态??薄膜锂电池。其中，前４步制备过程采用磁控濺射法，第５步??采用真空热蒸镀法。??正极集流体??正极??ＬＣＯ??固态电解质?负极集流钵??ＬｉＰＯＮ?Ｃｕ／Ｐｌ??电池鈸面??封装层??负极??图１?全固态薄膜锂电池制备流程及样品图??由图１可知，每一步制备的样品表面都光滑、无衍射光??斑，说明样品表面均匀性良好。样品的制备是在不同掩模板的??辅助下进行的，每一批次可以制备３０个，每一步的尺寸都进??行了精确设计，避免发生短路现象。??ＬＣＯ作为经典的锂电池电极材料，其化学扩散系数（Ｄ）通??常仅有１０—９？ｌ（Ｔｕｃｍ２／ｓ＇在全固态薄膜锂电池中，由于没有??辅料
ｚｚｚｚ??专家特约??＜ａ）表丨财ＳＥＭ阁；（ｂ）?（ａ＞的放大图；（ｃ）断而ＳＥＭ图；（ｄ）ＥＤＳｆｌ；??图３?Ｐｔｍ集流体的表面、断面ＳＥＭ图和ＥＤＳ图??Ｔｉ０２，而由质量比可知，Ｐｔ极少被氧化，可以保证良好的传导??特性。??采用射频磁控溅射法在正极集流体Ｐｌ／Ｔｉ膜上制备Ｌｉ－??Ｃ〇０２薄膜作为正极。由于磁控濺射制备的介质薄膜是无定形??的，通过验证筛选，将制备好的薄膜放入５０（ＴＣ的不锈钢炉子??中退火１０?ｈ，气氛为空气。??图４为正极薄膜退火前后的表面与断面ＳＥＭ图，退火??前，薄膜较为致密，由纳米尺度的粒子组成，厚度为１．５１?ｐｍ，??集流体的厚度为２１８?ｎｍ；退火后，薄膜出现明显的裂痕，组成??的粒子出现长大现象，膜厚度降低为１．４３?ｊｍｉ，值得关注的是??集流体的厚度增加到３０８?ｎｍ，可能是在退火中存在一定的氧??化现象。对比退火前后的断面图可以发现，膜结构整体上是致??密的，晶柱结构在退火前是模糊的，而在退火后能够明显看出??晶柱的界限，说明退火后正极薄膜具有良好的结晶性。??（ａ）？（ｃ）退火前：退火后??图４?正极薄膜退火前后的表面与断面ＳＥＭ图??图５为正极薄膜退火前后的ＳＥＭ图以及Ｒａｍａｎ曲线，退??火前，薄膜呈明显的无定形，颗粒之间界限不明显；退火后，薄??膜的组成粒子显著长大，颗粒尺寸较为均匀，颗粒大小在４０？??７０?ｒｎｎ左右，具有较高的均匀性，说明正极薄膜具有良好的循??环稳定性。Ｒａｍａｎ图谱显示，退火前膜结构中存在一个属于氧??化钴的峰，退火后消失，说明退火实现了正极薄膜的晶化。??Ｕ）退火甜农１６丨放大ＳＥＭｆｆｌ；?（１〇退火Ｇ表ｌｆｌ｛放大
【参考文献】：
期刊论文
[1]全固态锂电池研究进展[J]. 任耀宇. 科技导报. 2017(08)
[2]全固态薄膜锂电池研究进展[J]. 吴勇民,吴晓萌,朱蕾,徐碇皓,田文生,汤卫平. 储能科学与技术. 2016(05)
[3]全固态锂电池技术的研究现状与展望[J]. 许晓雄,邱志军,官亦标,黄祯,金翼. 储能科学与技术. 2013(04)
本文编号：2952895
【文章来源】：电源技术. 2020年01期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２?固态电解质薄膜ＬｉＰＯＮ性能表征??２．２集流体、正极及固相界面结构表征??要获得较高比容量的电池，需要电池中正极具有较高的??
态电解质界面处电压迥异，使得??电极／固态电解质界面的稳定性较差；锂元素活性大、易变性，??制备过程需要进行严格控制；微储能结构中界面结构多、锂离??子传输对薄膜均匀性要求很高，这些问题导致全固态薄膜锂??电池的发展一直较为缓慢％本文采用磁控濺射法制备电极、??集流体和固态电解质，真空蒸镀法制备金属锂负极，实现了不??同正极厚度和尺寸的全固态薄膜锂电池制备，分析了其电化??学性能与结构的相互关系，并对其失效行为进行了表征。??１全固态薄膜锂电池制备??全固态薄膜锂电池制备流程如图１所示，（１）在玻璃衬底??上制备一层金属钛（Ｔｉ）薄膜，然后在其表面原位制备一层铂??（Ｐｔ）薄膜，获得正极集流体；（２）制备正极薄膜ＬｉＣｏ０２?（ＬＣＯ），然??后退火处理，获得结晶的正极薄膜；（３）制备固态电解质??ＵＰＯＮ；?（４）制备负极集流体，是双层金属薄膜，组分为铜（Ｃｕ）和??Ｐｔ；?（５）制备金属锂薄膜作为负极，之后进行封装，形成全固态??薄膜锂电池。其中，前４步制备过程采用磁控濺射法，第５步??采用真空热蒸镀法。??正极集流体??正极??ＬＣＯ??固态电解质?负极集流钵??ＬｉＰＯＮ?Ｃｕ／Ｐｌ??电池鈸面??封装层??负极??图１?全固态薄膜锂电池制备流程及样品图??由图１可知，每一步制备的样品表面都光滑、无衍射光??斑，说明样品表面均匀性良好。样品的制备是在不同掩模板的??辅助下进行的，每一批次可以制备３０个，每一步的尺寸都进??行了精确设计，避免发生短路现象。??ＬＣＯ作为经典的锂电池电极材料，其化学扩散系数（Ｄ）通??常仅有１０—９？ｌ（Ｔｕｃｍ２／ｓ＇在全固态薄膜锂电池中，由于没有??辅料
ｚｚｚｚ??专家特约??＜ａ）表丨财ＳＥＭ阁；（ｂ）?（ａ＞的放大图；（ｃ）断而ＳＥＭ图；（ｄ）ＥＤＳｆｌ；??图３?Ｐｔｍ集流体的表面、断面ＳＥＭ图和ＥＤＳ图??Ｔｉ０２，而由质量比可知，Ｐｔ极少被氧化，可以保证良好的传导??特性。??采用射频磁控溅射法在正极集流体Ｐｌ／Ｔｉ膜上制备Ｌｉ－??Ｃ〇０２薄膜作为正极。由于磁控濺射制备的介质薄膜是无定形??的，通过验证筛选，将制备好的薄膜放入５０（ＴＣ的不锈钢炉子??中退火１０?ｈ，气氛为空气。??图４为正极薄膜退火前后的表面与断面ＳＥＭ图，退火??前，薄膜较为致密，由纳米尺度的粒子组成，厚度为１．５１?ｐｍ，??集流体的厚度为２１８?ｎｍ；退火后，薄膜出现明显的裂痕，组成??的粒子出现长大现象，膜厚度降低为１．４３?ｊｍｉ，值得关注的是??集流体的厚度增加到３０８?ｎｍ，可能是在退火中存在一定的氧??化现象。对比退火前后的断面图可以发现，膜结构整体上是致??密的，晶柱结构在退火前是模糊的，而在退火后能够明显看出??晶柱的界限，说明退火后正极薄膜具有良好的结晶性。??（ａ）？（ｃ）退火前：退火后??图４?正极薄膜退火前后的表面与断面ＳＥＭ图??图５为正极薄膜退火前后的ＳＥＭ图以及Ｒａｍａｎ曲线，退??火前，薄膜呈明显的无定形，颗粒之间界限不明显；退火后，薄??膜的组成粒子显著长大，颗粒尺寸较为均匀，颗粒大小在４０？??７０?ｒｎｎ左右，具有较高的均匀性，说明正极薄膜具有良好的循??环稳定性。Ｒａｍａｎ图谱显示，退火前膜结构中存在一个属于氧??化钴的峰，退火后消失，说明退火实现了正极薄膜的晶化。??Ｕ）退火甜农１６丨放大ＳＥＭｆｆｌ；?（１〇退火Ｇ表ｌｆｌ｛放大
【参考文献】：
期刊论文
[1]全固态锂电池研究进展[J]. 任耀宇. 科技导报. 2017(08)
[2]全固态薄膜锂电池研究进展[J]. 吴勇民,吴晓萌,朱蕾,徐碇皓,田文生,汤卫平. 储能科学与技术. 2016(05)
[3]全固态锂电池技术的研究现状与展望[J]. 许晓雄,邱志军,官亦标,黄祯,金翼. 储能科学与技术. 2013(04)
本文编号：2952895
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