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采用掺杂铜的V2O5为阴极材料的微型薄膜锂离子电池的研究

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目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 微型薄膜锂离子电池的发展概况与应用

1.1.1 薄膜锂离子电池发展历史

1.1.2 薄膜锂离子电池的工作原理

1.1.3 薄膜锂离子电池发展遇到的瓶颈及问题

1.2 薄膜锂电池的薄膜材料研究进展

1.2.1 薄膜锂离子电池的正极材料研究进展

1.2.2 薄膜锂离子电池电解质材料研究进展

1.2.3 薄膜锂离子电池的负极材料研究进展

1.3 全固态薄膜锂离子电池的结构

1.3.1 二维结构

1.3.2 三维结构

1.4 本论文的主要内容

参考文献

第二章 氧化钒薄膜的结构、性能、制备及研究方法

2.1 氧化钒的晶体结构与性质

2.1.1 五氧化二钒(V2O5)

2.1.2 二氧化钒(V2O2)

2.1.3 三氧化二钒(V2O3)

2.2 制备氧化钒薄膜的技术

2.3 薄膜材料的物理结构表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)

2.3.2 扫描电镜(SEM)

2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)

2.4 薄膜材料的电化学测试

2.4.1 循环伏安测试(CV)

2.4.2 恒流源充放电测试

参考文献

第三章 全固态薄膜锂离子电池阴极薄膜制备及表征

3.1 氧化钒薄膜的制备

3.1.1 硅片预处理及表面氧化

3.1.2 氧化钒薄膜的制备

3.2 氧化钒薄膜的物理结构表征

3.2.1 氧化钒薄膜的半导体特性测试(IV)

3.2.2 氧化钒薄膜的X射线衍射分析(XRD)

3.2.3 氧化钒薄膜的扫描电镜表征(SEM)

3.2.4 氧化钒的X射线光电子能谱测试(XPS)

3.3 氧化钒薄膜的电化学性质测试

3.3.1 电极片的制作及模拟电池的组装

3.3.2 氧化钒循环伏安测试(CV)

3.3.3 氧化钒恒流源充/放电测试

3.4 本章小结

参考文献

第四章 锂离子电池的实验制备

4.1 MEMS工艺简介

4.1.1 MEMS加工工艺简介

4.1.2 MEMS加工工艺使用试剂和仪器

4.2 制备流程

4.2.1 二维结构设计

4.2.2 二维结构制备工艺流程

4.2.3 三维结构设计及制备流程

4.2.4 全固态微型薄膜锂离子电池的封装

4.3 微型锂离子电池测试结果

4.4 本章小结

参考文献

第五章 工作总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

致谢

作者攻读硕士学位期间发表论文

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摘要

MEMS技术的发展对微能源的微型化和集成化提出更高的要求,希望将微能源直接集成在微器件当中。在此背景下,微型薄膜锂电池因其高能量密度、高开路电压、循环寿命长等优势,而受到了人们的重视,是一种应用前景广泛的微型电池。
  由于电极材料的性能对微电池性能有巨大影响,钒基化合物因其良好的嵌锂性能一直受到人们广泛的关注,其中五氧化二钒(V2O5)具有比容量大、能量密度高等优点,是锂二次电池正极材料研究的热点之一。本文采用磁控溅射制备了Cu掺杂的V2O5材料。通过SEM和XRD分析表明磁控溅射制备的V2O5薄膜呈晶体结构,掺杂Cu使薄膜转为非定型态,Cu掺杂增强了V2O5层间的相互作用力,有利于提高材料在Li+离子嵌入/脱出过程中的结构稳定性。对上述材料进行了恒流充放电和循环伏安测试,研究了不同Cu掺杂浓度对V2O5材料电化学性质的影响。结果表明,掺杂量较高的Cu3.55VO4.88具有更高的可逆容量和更好的容量保持率。
  最后我们利用厦门大学萨本栋微纳米技术研究中心的实验条件,制备了以CuxV2O5为正极,LixV2O5为负极的CuxV2O5/LiPON/LixV2O5二维和三维微型锂离子电池,并对其电化学性能进行研究。循环50次充放电测试,未掺杂的微型电池放电容量保持在2.0nAh左右;掺杂Cu的2D微型电池放电容量维持在8nAh左右;掺杂Cu的3D微型电池放电容量维持在11nAh左右。
  本论文的主要创新性工作有:分析掺杂不同比例铜对于钒氧化物薄膜电极的影响,并系统研究了薄膜的晶体结构及电化学性能;为进一步提高电池的容量,我们还设计出三维结构;制备出单元面积为1.9mm×1mm的CuxV2O5/LiPON/LixV2O5二维和三维微型薄膜锂离子电池。

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