LiPON固态电解质与全固态薄膜锂离子电池制备及特性研究
发布时间：2021-01-08 20:50
薄膜技术使全固态薄膜锂（锂离子）电池的制造由设想变为现实。微芯片、微机电系统以及微型存储器等微小器件在低能领域的供电需求,使全固态薄膜锂（锂离子）电池成为未来电池微小型化技术与产业发展的重要方向。基于此应用需求,本论文比较全面地开展了全固态薄膜锂离子电池中LiPON固态电解质薄膜、LiMn2O4阴极薄膜、ZnO和Si两种阳极薄膜的制备与特性研究;在此基础上,制备并研究了四种膜系结构的全固态薄膜锂离子电池,电池阴极为退火或未退火的LiMn2O4薄膜,阳极材料根据电化学可逆反应机理分为ZnO（过渡金属氧化物型）与Si（锂合金型）两种。根据基底不同,制备的电池又分为刚性石英玻璃基底（厚度为1 mm）和柔性聚酰亚胺（PI）基底（厚度为125μm）两类。本论文取得的主要结论与创新如下。以Li3PO4为靶材、采用射频磁控溅射法在氮气下反应溅射LiPON固态电解质薄膜与Al/Li PON/Al三明治结构,研究固态电解质电化学特性。通过优化关键制备参数,包括靶基距、溅射功...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：208 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 电池的发展
1.3 锂离子电池
1.4 全固态薄膜锂（锂离子）电池
1.4.1 全固态薄膜锂（锂离子）电池概况
1.4.2 固态电解质薄膜
1.4.3 阳极（负极）薄膜
1.4.4 阴极（正极）薄膜
1.5 本论文的研究意义、主要内容与创新点
第二章 制备与特性测试方法
2.1 薄膜制备方法
2.2 薄膜材料表征
2.2.1 X射线衍射（XRD）
2.2.2 射线光电子能谱分析（XPS）
2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
2.2.4 透射电子显微镜（TEM）
2.2.5 能量色散X射线光谱分析（EDS）
2.2.6 原子力显微镜（AFM）
2.2.7 拉曼光谱分析（Raman）
2.3 薄膜电化学性能测试
2.3.1 薄膜电阻率测试
2.3.2 离子电导率测试
2.3.3 电子电导率测试
2.3.4 离子迁移数测试
2.4 全固态薄膜电池性能测试
2.4.1 循环伏安
2.4.2 恒电流充放电
2.4.3 线性扫描伏安
2.4.4 恒电位极化
2.5 材料与仪器设备汇总
第三章 非晶态LiPON固态薄膜电解质制备及特性研究
3.1 引言
3.2 LiPON固态电解质薄膜制备
3.2.1 射频反应式磁控溅射法制备LiPON固态电解质薄膜
3.2.2 MIM三明治结构制备
3.2.3 表征与性能测试
3.3 制备参数对LiPON薄膜离子电导率和溅射速率的影响研究
3.3.1 靶基距影响
3.3.2 溅射功率影响
3.3.3 工作压强影响
3.3.4 氩氮流量比影响
3.4 LiPON薄膜粗糙界面对电化学性能的影响研究
3.4.1 不同界面粗糙度的Al/LiPON/Al三明治结构制备
3.4.2 表征与性能测试方法
3.4.3 表征与测试结果
3.4.4 结果与讨论
3.5 热处理对LiPON薄膜本征结构和电化学性能的影响研究
3.5.1 实验过程
3.5.2 结构表征、性能测试
3.5.3 结果与讨论
3.6 Si掺杂对LiPON薄膜电化学性能的影响研究
3.6.1 Si掺杂对LiPON（LiSiPON）固态电解质薄膜的制备
3.6.2 结果与讨论
3.7 小结
第四章 全固态薄膜锂离子电池薄膜电极制备及特性研究
4.1 引言
2O4阴极薄膜"> 4.2 LiMn2O4阴极薄膜
2O4薄膜"> 4.2.1 射频磁控溅射法制备LiMn2O4薄膜
4.2.2 结果与讨论
4.3 ZnO阳极薄膜
4.3.1 射频磁控溅射法制备ZnO薄膜
4.3.2 结果与讨论
4.4 Si阳极薄膜
4.4.1 射频磁控溅射法制备Si薄膜
4.4.2 结果与讨论
4.5 小结
第五章 全固态薄膜锂离子电池制备及特性研究
5.1 引言
5.2 全固态薄膜锂离子电池结构设计
2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池"> 5.3 （Ti/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池
2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池制备"> 5.3.1 （Ti/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池制备
2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究"> 5.3.2 （Ti/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究
2O4/Pt）LiPON全固态薄膜锂离子电池的影响"> 5.3.3 退火对（Pt/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Pt）LiPON全固态薄膜锂离子电池的影响
2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池.."> 5.4 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池..
2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池的制备"> 5.4.1 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池的制备
2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究"> 5.4.2 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究
2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池."> 5.5 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池.
2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池制备"> 5.5.1 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池制备
2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池特性研究"> 5.5.2 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池特性研究
5.6 小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
在学期间的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]全固态薄膜锂电池研究进展和产业化展望[J]. 陈牧,颜悦,刘伟明,周辰,郭志强,张晓锋,望咏林,厉蕾,张官理. 航空材料学报. 2014(06)
[3]Silicon-based nanomaterials for lithium-ion batteries[J]. YIN YaXia,WAN LiJun & GUO YuGuo CAS Key Laboratory of Molecular Nanostructure and Nanotechnology,Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Chinese Science Bulletin. 2012(32)
[4]Preparation and performance of novel LLTO thin film electrolytes for thin film lithium batteries[J]. CHEN RenJie1,2,LIANG Wei1,ZHANG HaiQin1,WU Feng1,2 & LI Li1,2 1 School of Chemical Engineering and Environment,Beijing Key Laboratory of Environmental Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2 National Development Center for High Technology Green Materials,Beijing 100081,China. Chinese Science Bulletin. 2012(32)
[5]全固态薄膜锂电池0.3Ag-V2O5|LiPON|Li的制备及电化学性能[J]. 赵胜利,文九巴,祝要民,秦启宗. 功能材料. 2008(01)
博士论文
[1]基于散粒磨料的超光滑抛光材料去除机理与试验研究[D]. 孟凯.中国科学院光电技术研究所 2017
[2]新型固态化锂二次电池及相关材料的制备与性能研究[D]. 谭国强.北京理工大学 2014
[3]二氧化锰的隧道调控和电化学离子存储性能研究[D]. 魏春光.清华大学 2013
[4]锂硫电池用改性固态电解质隔膜研究[D]. 胡宗倩.国防科学技术大学 2011
本文编号：2965280
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：208 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 电池的发展
1.3 锂离子电池
1.4 全固态薄膜锂（锂离子）电池
1.4.1 全固态薄膜锂（锂离子）电池概况
1.4.2 固态电解质薄膜
1.4.3 阳极（负极）薄膜
1.4.4 阴极（正极）薄膜
1.5 本论文的研究意义、主要内容与创新点
第二章 制备与特性测试方法
2.1 薄膜制备方法
2.2 薄膜材料表征
2.2.1 X射线衍射（XRD）
2.2.2 射线光电子能谱分析（XPS）
2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
2.2.4 透射电子显微镜（TEM）
2.2.5 能量色散X射线光谱分析（EDS）
2.2.6 原子力显微镜（AFM）
2.2.7 拉曼光谱分析（Raman）
2.3 薄膜电化学性能测试
2.3.1 薄膜电阻率测试
2.3.2 离子电导率测试
2.3.3 电子电导率测试
2.3.4 离子迁移数测试
2.4 全固态薄膜电池性能测试
2.4.1 循环伏安
2.4.2 恒电流充放电
2.4.3 线性扫描伏安
2.4.4 恒电位极化
2.5 材料与仪器设备汇总
第三章 非晶态LiPON固态薄膜电解质制备及特性研究
3.1 引言
3.2 LiPON固态电解质薄膜制备
3.2.1 射频反应式磁控溅射法制备LiPON固态电解质薄膜
3.2.2 MIM三明治结构制备
3.2.3 表征与性能测试
3.3 制备参数对LiPON薄膜离子电导率和溅射速率的影响研究
3.3.1 靶基距影响
3.3.2 溅射功率影响
3.3.3 工作压强影响
3.3.4 氩氮流量比影响
3.4 LiPON薄膜粗糙界面对电化学性能的影响研究
3.4.1 不同界面粗糙度的Al/LiPON/Al三明治结构制备
3.4.2 表征与性能测试方法
3.4.3 表征与测试结果
3.4.4 结果与讨论
3.5 热处理对LiPON薄膜本征结构和电化学性能的影响研究
3.5.1 实验过程
3.5.2 结构表征、性能测试
3.5.3 结果与讨论
3.6 Si掺杂对LiPON薄膜电化学性能的影响研究
3.6.1 Si掺杂对LiPON（LiSiPON）固态电解质薄膜的制备
3.6.2 结果与讨论
3.7 小结
第四章 全固态薄膜锂离子电池薄膜电极制备及特性研究
4.1 引言
2O4阴极薄膜"> 4.2 LiMn2O4阴极薄膜
2O4薄膜"> 4.2.1 射频磁控溅射法制备LiMn2O4薄膜
4.2.2 结果与讨论
4.3 ZnO阳极薄膜
4.3.1 射频磁控溅射法制备ZnO薄膜
4.3.2 结果与讨论
4.4 Si阳极薄膜
4.4.1 射频磁控溅射法制备Si薄膜
4.4.2 结果与讨论
4.5 小结
第五章 全固态薄膜锂离子电池制备及特性研究
5.1 引言
5.2 全固态薄膜锂离子电池结构设计
2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池"> 5.3 （Ti/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池
2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池制备"> 5.3.1 （Ti/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池制备
2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究"> 5.3.2 （Ti/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Ti）LiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究
2O4/Pt）LiPON全固态薄膜锂离子电池的影响"> 5.3.3 退火对（Pt/ZnO/LiPON/LiMn2O4/Pt）LiPON全固态薄膜锂离子电池的影响
2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池.."> 5.4 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池..
2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池的制备"> 5.4.1 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池的制备
2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究"> 5.4.2 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Pt/Ti）LiSiPON全固态薄膜锂离子电池特性研究
2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池."> 5.5 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池.
2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池制备"> 5.5.1 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池制备
2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池特性研究"> 5.5.2 （Ti/Si/LiSiPON/LiMn2O4/Ti）LiSiPON柔性全固态薄膜锂离子电池特性研究
5.6 小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
在学期间的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]全固态薄膜锂电池研究进展和产业化展望[J]. 陈牧,颜悦,刘伟明,周辰,郭志强,张晓锋,望咏林,厉蕾,张官理. 航空材料学报. 2014(06)
[3]Silicon-based nanomaterials for lithium-ion batteries[J]. YIN YaXia,WAN LiJun & GUO YuGuo CAS Key Laboratory of Molecular Nanostructure and Nanotechnology,Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Chinese Science Bulletin. 2012(32)
[4]Preparation and performance of novel LLTO thin film electrolytes for thin film lithium batteries[J]. CHEN RenJie1,2,LIANG Wei1,ZHANG HaiQin1,WU Feng1,2 & LI Li1,2 1 School of Chemical Engineering and Environment,Beijing Key Laboratory of Environmental Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2 National Development Center for High Technology Green Materials,Beijing 100081,China. Chinese Science Bulletin. 2012(32)
[5]全固态薄膜锂电池0.3Ag-V2O5|LiPON|Li的制备及电化学性能[J]. 赵胜利,文九巴,祝要民,秦启宗. 功能材料. 2008(01)
博士论文
[1]基于散粒磨料的超光滑抛光材料去除机理与试验研究[D]. 孟凯.中国科学院光电技术研究所 2017
[2]新型固态化锂二次电池及相关材料的制备与性能研究[D]. 谭国强.北京理工大学 2014
[3]二氧化锰的隧道调控和电化学离子存储性能研究[D]. 魏春光.清华大学 2013
[4]锂硫电池用改性固态电解质隔膜研究[D]. 胡宗倩.国防科学技术大学 2011
本文编号：2965280
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