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超薄鋰離子電池負(fù)極材料制備方法是什么

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:883次  |  2020年09月07日  

(一)濺射法


1.濺射技術(shù)是利用高能離子轟擊靶材形成濺射物流,在襯底表面沉積形成薄膜的一種鍍膜技術(shù)。濺射技術(shù)包括射頻磁控濺射、反應(yīng)濺射、多元靶濺射及離子束濺射。其中,磁控濺射由于沉積速率可以比其他濺射方法大很多,是目前應(yīng)用最為廣泛的一種薄膜沉積方法。由于優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性能,氧化鉆鋰被廣泛應(yīng)用在商品化的鋰離子電池中。在薄膜鋰離子電池研究中也經(jīng)常使用其薄膜作為陰極材料。Jang等采用射頻磁控濺射法得到LiCoO2薄膜,研究得出薄膜中顆粒變小可以提高電壓循環(huán)穩(wěn)定性從而提高容量和能量密度。


2.H.Y.Park等在不同偏壓下采用射頻磁控濺射法沉積LiCoO2了陰極薄膜,循環(huán)伏安和充放電測(cè)試表明沉積過(guò)程中采取不同基體偏壓對(duì)其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能有著明顯影響。采用這種方法可不要后續(xù)退火過(guò)程而直接用于薄膜電池的陰極材料。


3.劉文元等采用射頻磁控濺射技術(shù)制備了非晶態(tài)和不同取向的多晶LiCoO2薄膜,利用XRD和SEM研究了不同溫度退火后LiCoO2薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌。以具有不同結(jié)構(gòu)的LiCoO2薄膜為陰極、含氨磷酸鋰薄膜為電解質(zhì)以及金屬鋰薄膜為陽(yáng)極,成功地制備了電化學(xué)性能不同的全固態(tài)薄膜鋰離子電池。由電化學(xué)研究結(jié)果表明,LiCoO2薄膜的結(jié)構(gòu)和多晶取向決定了薄膜電池的電化學(xué)性能。采用具有一定取向的多晶LiCoO2薄膜制備的全固態(tài)薄膜鋰離子電池具有最佳的性能,穩(wěn)定放電容量達(dá)到55.4uAh/cm2um,充放電循環(huán)次數(shù)超過(guò)450次。


4.LiNiO2理論容量較高,比LiCoO2價(jià)格便宜,對(duì)環(huán)境污染也較小,所以有希望成為取代LiCoO2的電極材料。H.K.Kim等以LiNiO2為靶材,O2/(Ar+O2)比為0.1氣氛下,采用射頻磁控濺射法沉積得到非晶態(tài)LiNiO2薄膜,在700℃氧氣氣氛下快速熱退火10分鐘后得到結(jié)晶的LiNiO2薄膜。采用經(jīng)快速熱退火處理的LiNiO2薄膜陰極(厚1.13um)組裝的全固態(tài)薄膜電池顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能。作者指出,經(jīng)快速熱退火處理的LiNiO2薄膜陰極是制備高性能全固態(tài)薄膜電池很有希望的陰極材料。


5.A.Urbano等人用射頻磁控濺射的方法制備了LixNiOy薄膜,為L(zhǎng)ixNiOy陰極膜的濺射供應(yīng)了部分依據(jù)。


DuksuKim等人首先用射頻磁控濺射的方法制備了有良好電化學(xué)活性的LiNixCo12×O2陰極膜,實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種不同摩爾比合成靶材濺射的LiNixCo12xO2陰極膜作了比較研究,指出在氬氣和氧氣(摩爾比為2:1)混合壓為1.33Pa、濺射功率密度1.23W/cm2條件下LiNO3、NiCO3和Co(NO3)2-6H20按摩爾比1.05:0.5:0.5合成粉末靶,在Pt(50nm)/SiO2/Si(100)襯底上濺射的LiNixCo12xO2膜,經(jīng)過(guò)快速退火處理,有良好的容量保持性能。隨著循環(huán)次數(shù)的新增,容量只有很少的降低。ChengLL等討論了在不同條件下制備的LiCoO2薄膜的性能,結(jié)果表明在250℃條件下以Si基板為襯底,氧氣分壓在0.665~1.33Pa范圍內(nèi),可以制得納米晶型的LiCoO2薄膜,當(dāng)氧氣分壓高于1.33Pa或低于0.665Pa時(shí),會(huì)有Co304雜相出現(xiàn),這說(shuō)明氧氣分壓在制備過(guò)程中起很重要的用途。同時(shí)還討論了退火溫度對(duì)LiCoO2的電化學(xué)性能的影響,當(dāng)退火溫度分別為500℃、600℃、700℃時(shí),電池的放電容量分別為41.77、50.62和61.16Ah/(cm2um)。


6.Dudney研究發(fā)現(xiàn)由于在濺射過(guò)程中難以控制和優(yōu)化鋰錳氧計(jì)量比,LiMn204晶態(tài)薄膜電極的循環(huán)性能和內(nèi)阻表現(xiàn)出的再生能力比LiCoO2差。


(二)脈沖激光沉積法


1.PLD最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,一開(kāi)始由于氣相鍍膜方式占據(jù)了制膜方法的統(tǒng)治地位和PLD方法本身的發(fā)展不夠,并沒(méi)有受到重視。1987年P(guān)LD因成功制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜而發(fā)展起來(lái),近些年來(lái),更是在制備鐵電薄膜中得到廣泛應(yīng)用。它的基本過(guò)程是將一束高功率脈沖激光聚焦到符合化學(xué)計(jì)量比的陶瓷燒結(jié)靶表面上,靶表面瞬時(shí)局部溫度可達(dá)103℃~104℃,蒸發(fā)出含有靶材成分的等離子體羽輝,羽輝中包含處于基態(tài)和激發(fā)態(tài)的原子、分子、團(tuán)簇和高能電子,這些粒子以較高的能量到達(dá)加熱的基片表面而成膜。使用該方法制得的膜的重要優(yōu)點(diǎn)是:污染??;薄膜與靶材的成份保持一致;逸出粒子具有較大的能量,沿襯底表面的擴(kuò)散較為激烈,沉積速率高;另外,在制膜的過(guò)程中,脈沖重復(fù)頻率低,原子在兩次脈沖蒸發(fā)間有足夠的時(shí)間擴(kuò)散到吉布斯自由能最低位置,這樣有利于薄膜生長(zhǎng),提高薄膜質(zhì)量。Sriehe等用248nm激光制備了LiCoO2和LiMn204薄膜。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系激光化學(xué)研究所薛明喆等采用脈沖激光沉積結(jié)合高溫退火的方法在不銹鋼基片上制備了LiFePO4薄膜電極,充放電測(cè)試表明,LiFePO4薄膜具有3.45~3.40V的充放電平臺(tái),與LiFePO4粉體材料相當(dāng),首次放電容量為27mAh/g。


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