固態(tài)化薄膜鋰電池及相關材料的制備與性能研究.pdf

1、隨著科技快速進步，可穿戴設備、智能卡片、植入式醫(yī)療設備和微納機械電子系統(tǒng)在人們生活中所占的比重已經(jīng)越來越大。為這些微納電子設備提供電力供應的薄膜電池市場應用潛力巨大。現(xiàn)有的薄膜鋰電池所用負極材料以金屬鋰、錫、硅和錫硅氧化物為主，但金屬鋰存在高溫條件下不穩(wěn)定的安全問題，錫和硅在脫嵌鋰前后體積變化大，容易出現(xiàn)結構坍塌而造成容量衰減快。由于這些問題的存在，制約了薄膜鋰電池的產(chǎn)業(yè)化應用。
　　本文以安全性高和結構穩(wěn)定性好的鈦酸鋰和二氧化鈦

2、材料為主要研究對象，通過射頻磁控濺射方法制備出了性能良好的薄膜負極材料，并將其與錳酸鋰正極和鋰磷氧氮固態(tài)電解質搭配制作出了全固態(tài)電池，獲得了較好的充放電性能。本文創(chuàng)新性地以粉末靶材取代傳統(tǒng)陶瓷靶材，獲得了在0~3V的電位區(qū)間可逆容量較高且循環(huán)穩(wěn)定性好的鈦酸鋰薄膜。據(jù)我們所知，采用鈦酸鋰與二氧化鈦的復合薄膜做負極來制作全固態(tài)薄膜電池未見文獻報道。本文主要研究內容如下：
　　(1)采用鈦酸鋰粉末靶材制備了無定形結構的鈦酸鋰薄膜。該薄膜

3、在0~3 V的電位區(qū)展現(xiàn)了良好的電化學性能，在0.1 C倍率的可逆容量達到了283 mAh g-1，100次充放電后只損失了3％的容量。該鈦酸鋰薄膜經(jīng)氮化之后可逆容量和倍率性能得到了進一步提升，在0~3 V電壓區(qū)間的可逆容量達到了290 mAh g-1。在5 C的倍率下，氮化鈦酸鋰薄膜的可逆容量達到了160 mAh g-1，100次充放電后依舊有149 mAh g-1的容量，損失率小于7%。
　　(2)采用碳酸鋰和二氧化鈦的混合粉

4、末靶材制備了鈦酸鋰薄膜。該薄膜氧氣氛退火后在1~3 V的電位區(qū)間表現(xiàn)出良好的大倍率特性，其50 C充放電的可逆容量達到了106 mAh g-1，1000次充放電后只損失了5%的容量。
　　(3)采用二氧化鈦的粉末靶材制備了二氧化鈦電極薄膜。該薄膜氧氣氛退火后在1~3 V的電位區(qū)間表現(xiàn)出良好的大倍率特性，其50 C倍率下的可逆容量達到了92 mAh g-1，1000次充放電后容量為90 mAh g-1，依舊可以達到起始容量97%的容

5、量。
　　(4)采用鈦酸鋰和二氧化鈦的混合粉末靶材制備了納米晶復合薄膜。該薄膜在氧氣氛退火后在1~3 V的電位區(qū)間表現(xiàn)出良好的大倍率特性，其50 C充放電的可逆容量達到了110 mAh g-1，1000次充放電后只損失了4%的容量。按照鈦酸鋰和二氧化鈦的混合比例為3:2制備的復合薄膜在氬氣氛退火后在0~3V的電位區(qū)間容量達到295 mAh g-1，100次充放電后容量為280 mAh g-1，只損失了5%的容量。
　　(5)

6、采用錳酸鋰陶瓷靶材制備了錳酸鋰薄膜。該薄膜在氧氣氛退火后為典型的尖晶石結構，在4 V左右表現(xiàn)出平坦的放電平臺，在3~4.2 V的電位區(qū)間首次放電容量接近95 mAh g-1，經(jīng)50次充放電以后依舊可以達到80 mAh g-1的容量。采用磷酸鋰陶瓷靶材制備了鋰磷氧氮薄膜。該薄膜為典型的無定形結構，表面密實，離子導電率2.5×10-7 S cm-1，電子導電率1.5×10-12 S cm-1。采用錳酸鋰薄膜為正極，鋰磷氧氮薄膜為固態(tài)電解質，