磁控溅射制备锂离子电池用锂磷氧氮和钛锡合金薄膜

摘要

为了应对日益严峻的全球温室效应和化石燃料资源枯竭问题带来的挑战，加快实现能量的高效转换和存储是一种必然趋势，而决定其成败与否的关键是新材料的研发。锂离子电池由于能够较好实现化学能与电能之间的转换，作为一种新型化学电源得到了快速发展。另一方面，日渐轻巧的便携式电子产品、微型电子制品正在驱使着锂离子电池向薄膜化、固态化、微型化方向发展。在本论文中，重点对全固态薄膜锂离子电池中的固态无机电解质薄膜和Sn-Ti合金负极薄膜展开了研究。
　　用于全固态薄膜电池的电解质需要有高的离子电导率、低的电子电导率，并能在工作电势范围内与正、负电极稳定共存。自从Bates等首次证实非晶态的锂磷氧氮(LiPON，Lithium Phosphorous Oxynitride)可作为一种有前景的固态电解质材料以后，很多研究者对众多不同方法制备的LiPON薄膜性质进行了报道。尽管不少研究工作都具有较强的系统性，发现了微量的N替代了Li3PO4中的O后极大地增强了材料的锂离子电导率，但是制备过程中有关技术参数对薄膜性能的影响还不是十分清楚。我们通过在N2中射频磁控溅射在本实验室高温烧结而成的Li3PO4靶材成功的制备了LiPON薄膜，初步测试结果表明其性能良好，离子电导率和离子迁移数分别为1.2×10-6S/cm、0.9944。
　　将金属Sn合金化被认为是提高Sn基材料电化学性能的一个可能途径。鉴于金属Ti的特殊性质，我们采用直流磁控溅射技术在交替溅射和共溅射两种模式下分别制备了不同结构的Sn-Ti复合材料薄膜电极，较系统地研究了薄膜结构、电极形貌、材料结晶状态与电化学性能之间的关系。
　　首先采用交替溅射方式制备Sn-Ti双层膜，系统研究了Sn层、Ti层沉积顺序及厚度对电化学行为的影响。对Sn/Ti薄膜，先沉积500nm厚的Sn层，再镀不同厚度的Ti层，随着Ti层厚度增大至200nm，纯Sn相逐渐消失，循环性能改善，但首次不可逆容量损失有所增大；对Ti/Sn薄膜，首先沉积Ti层，再沉积Sn层，发现Sn层出现了明显的择优取向，且颗粒表面光滑、尺寸达到500nm量级，充放电行为类似纯金属Sn，循环性能差。
　　随后，将Sn、Ti层的总厚度分别恒定在500nm，采用交替溅射方式同步增加Sn、Ti层的层数至4、8。发现随着层数增多，纯Sn相逐渐消失，循环性能改善明显。
　　最后采用共溅射方式制备Sn、Ti复合膜，所制备的薄膜结晶性良好，形貌兼具纯Sn和Ti衬底上镀Sn(Ti/Sn膜)的特点，具有典型的金属Sn的电化学性能，推断可能是由于Ti的沉积速度只有Sn的1/8，复合膜中Ti含量较低所致。

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第一章 绪论

1.1锂离子电池简介

1.2薄膜锂离子电池简介

1.3固态电解质简介

1.4锂离子电池负极材料简介

1.5本文的出发点与研究思路

第二章 材料制备与实验方法

2.1薄膜电极的制备方法

2.2溅射工艺参数的确定

2.3实验操作流程

2.4薄膜电极的物相与形貌分析

2.5电极材料的电化学分析方法

第三章 磁控溅射制备LiPON固态电解质及其性质研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4 LiPON的氮化机理探讨

3.5本章小结

第四章 磁控溅射制备锡基合金负极材料及电化学性能研究

4.1引言

4.2薄膜锡电极的制备与性能研究

4.3薄膜锡-钛复合电极的制备与性能研究

4.4薄膜铜-锡-钛复合电极的制备与性能研究

第五章 结论

5.1总结

5.2不足之处与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果