掺铜SnOx为负极的全固态策型薄膜锂离子电池的研究和制备

摘要

随着MEMS技术的应用发展，微能源技术越来越受到人们的关注。全固态微型薄膜锂离子电池，有着体积小，安全性高，能量密度高，开路电压高，循环性能好，制备兼容性高等优势，成为目前微电源中的最佳选择。
　　正负电极和电解质都大大影响了整个电池的性能。本论文系统地探讨了全固态微型锂离子电池的活性材料薄膜的制备，并将实验结果集成到全固态微型锂离子电池的微加工技术中。
　　首先探讨了磁控溅射方法制备SnOx薄膜时金属铜的掺杂。随着铜掺杂量的增加，SnOx薄膜的充放电容量和循环性能有了很大的改善，但是由于铜的参与导致首圈不可逆损失增大，保证适当的铜掺杂量可以得到性能良好的负极SnOx薄膜。通过XRD和SEM发现，铜的掺杂使得SnOx趋于非晶态，有利于减缓SnOx薄膜嵌锂时的体积膨胀。另外铜离子参与氧化还原反应也增加了负极材料SnOx的嵌锂容量。
　　然后研究了退火温度对LiCoO2薄膜的影响。从400℃到600℃，发现退火温度越高，LiCoO2的(003)方向的结晶度就越强，这说明形成了脱嵌锂性能最好的HT-LiCoO2。经过电化学测试和参照组比较，发现在300℃下溅射，之后在600℃中退火的LiCoO2薄膜具有理想的容量和稳定的循环性能。
　　接下来对固体电解质LiPON的物相和性质进行了研究。由XRD分析得知LiPON呈非晶结构，离子电导率较高。LiPON在潮湿的空气中会发生反应，改变其性质。对所制备的LiPON进行交流阻抗测试，算得到其离子电导率为8×10-7S/cm，可以满足全固态微型薄膜锂离子电池对电解质的要求。
　　最后结合萨本栋微纳米中心的条件，设计了制备微型薄膜锂离子电池LiCoO2/LiPON/SnO1.48和LiCoO2/LiPON/Cu0.18SnO1.55的工艺流程。之后将制备的电池进行恒电流充放电循环测试100圈，发现从40圈之后，LiCoO2/LiPON/Cu018SnO1.55的放电容量稳定在10-12nAh，大大超过了LiCoO2/LiPON/SnO1.48的容量，且循环性能良好。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 微型能源的研究背景

1．2 全固态微型薄膜锂离子电池的特点和工作原理

1．3 薄膜锂电池材料的研究历史

1．3．1 薄膜锂离子电池的负极材料研究进展

1．3．2 薄膜锂离子电池的正极材料研究进展

1．3．3 薄膜锂离子电池电解质材料研究进展

1．4 微型薄膜锂离子电池的结构

1．5 本文研究内容和结构

参考文献

第二章 薄膜的制备方法和分析手段

2．1 薄膜制备方法

2．1．1 磁控溅射技术

2．1．2 溅射参数的影响

2．1．3 溅射装置

2．2 薄膜材料的表征技术

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 X射线衍射技术(XRD)

2．2．3 X射线光电子能谱技术(XPS)

2．3 薄膜的电化学测试技术

2．3．1 恒电流充放电测试

2．3．2 循环伏安测试(CV)

2．3．3 交流阻抗法测试

2．4 本章小结

参考文献

第三章 薄膜电极及电解质材料的研究

3．1 锡氧化物薄膜的制备改良与电化学性能的研究

3．1．1 SnOx的储锂机理

3．1．2 SnOx掺杂金属杂质的研究

3．1．3 SnOx薄膜的制备

3．1．4 SnOx薄膜的表征

3．1．5 SnOx薄膜的电化学测试

3．2 LiCoO2薄膜的制备与电化学性能的研究

3．2．1 LiCoO2脱嵌锂原理

3．2．2 LiCoO2薄膜的制备

3．2．3 不同退火温度下制备的LiCoO2薄膜的表征

3．2．4 LiCoO2薄膜的电化学性能测试

3．3 LiPON固体电解质的研究

3．3．1 LiPON性质及结构

3．3．2 LiPON薄膜的制备

3．3．3 LiPON薄膜的XRD表征

3．3．4 LiPON在空气中的性质变化

3．3．5 Al／LiPON／Al的离子电导率

3．4 本章小结

参考文献

第四章 全固态薄膜锂离子电池的制备及分析测试

4．1 MEMS微加工工艺

4．2 全固态微型薄膜锂离子电池的制造流程

4．2．1 电池结构设计

4．2．2 电池材料制备

4．2．3 制备工艺流程

4．3 全固态微型薄膜锂离子电池的测试结果分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结和讨论

5．1 本文总结

5．2 展望

致谢

攻读硕士期间发表的论文