脈沖激光沉積富鋰正極薄膜試驗研究.pdf

1、脈沖激光沉積是一種利用激光制備薄膜的工藝，具有沉積速度快、化學計量比保持好等優(yōu)點，已經(jīng)成功地應用于高溫超導薄膜、鐵電薄膜、壓電薄膜以及鋰電薄膜等的制備。但是，脈沖激光沉積設備的一次性投入較高，傳統(tǒng)自組裝設備的操作繁瑣，限制了該工藝的應用。富鋰正極材料是Li2MnO3和LiMO2(M=Mn，Co，Ni)的連續(xù)固溶體，具有較高的比能量密度(＞300 mAh/g)，組成元素的儲量豐富，顯現(xiàn)出較好的應用前景，但是目前對富鋰正極薄膜尚未有系統(tǒng)的研

2、究報導。
　　為了研究脈沖激光沉積富鋰正極薄膜的有關問題，本文構建了新型脈沖激光沉積系統(tǒng)，利用集成后的新型脈沖激光沉積系統(tǒng)制備富鋰正極薄膜，對所制備的富鋰正極薄膜的相關性能進行表征，研究工藝參數(shù)對富鋰正極薄膜制備的影響規(guī)律，探索制備富鋰正極薄膜的合適工藝參數(shù)，并對其在全固態(tài)電池中的應用進行了探索性研究。
　　針對原有及傳統(tǒng)脈沖激光沉積設備存在的問題，本文通過對軟硬件的改進，將真空規(guī)管控制器ACM1000、渦輪分子泵控制器AC

3、T600T、加熱控制器SRS10A以及步進電機等通過串口通信和I/O口控制與電腦整合，構建了新型脈沖激光沉積系統(tǒng)，實現(xiàn)了沉積過程的程序化自動運行，簡化了脈沖激光沉積系統(tǒng)的操作，實現(xiàn)了脈沖激光沉積過程的可視化控制，實現(xiàn)了多靶逐層沉積，解決了傳統(tǒng)脈沖激光沉積系統(tǒng)普遍存在的操作繁瑣、勞動強度大、不能進行可視化多靶逐層沉積等問題。
　　利用構建的脈沖激光沉積系統(tǒng)，本文采用單靶沉積和多靶沉積兩種方式制備了富鋰正極薄膜，并借助FESEM、XR

4、D、XPS以及電化學充放電測試儀等對富鋰正極薄膜的形貌、成分、充放電特性、鋰離子擴散系數(shù)等特征與性能進行了表征，得到了利用脈沖激光沉積方法制備富鋰正極薄膜的合適工藝參數(shù)。試驗結果表明，單靶沉積得到的富鋰正極薄膜表現(xiàn)出與粉體富鋰正極材料相似的電化學特征，放電容量可以達到70μAh/cm2μm(～140 mAh/g)，大于目前有報導的常規(guī)鋰離子電池正極薄膜的容量。試驗結果同時表明，氧壓低于200 mTorr時，趨向于形成尖晶石結構相，氧壓高

5、于450 mTorr時，薄膜中鋰含量不足，得不到富鋰正極薄膜;退火溫度低于700℃時，薄膜的結晶性差，沒有明顯的放電平臺，退火溫度高于900℃時，薄膜表現(xiàn)為尖晶石結構相，同時由于退火過程中大量鋰離子的散失，薄膜的電化學性能較差。試驗中得到的富鋰正極材料的鋰離子擴散系數(shù)為1×10-15～1×10-13 cm2/s。
　　基于富鋰正極薄膜，本文制備了Li-rich/LLZO/Li、Li-rich/ LAGP/TiO2、Li-rich/

6、LICGC/Li三種全固態(tài)電池，在對LLZO和LAGP電解質薄膜、TiO2負極薄膜以及全固態(tài)電池相關問題分析的基礎上，對基于富鋰正極薄膜的全固態(tài)電池進行了探索性研究。Li-rich/LLZO/Li由于LLZO電解質薄膜的低離子電導率以及金屬鋰負極與LLZO薄膜的界面問題，未能表現(xiàn)出富鋰正極材料的電化學特征。Li-rich/LAGP/TiO2表現(xiàn)出了富鋰正極材料的充放電特征以及3 nA/cm2電流密度下5小時的放電過程。Li-rich/L