Elektrolit Filem Nipis Lisan Amorfus

Pengarang:XIA Qiuying, SUN Shuo, ZAN Feng, XU Jing, XIA Hui

Pusat Pengajian Sains dan Kejuruteraan Bahan, Universiti Sains dan Teknologi Nanjing, Nanjing 210094, China

Abstrak

Bateri litium filem nipis (TFLB) semua keadaan pepejal dianggap sebagai sumber kuasa yang ideal untuk peranti mikroelektronik. Walau bagaimanapun, kekonduksian ionik yang agak rendah bagi elektrolit keadaan pepejal amorf mengehadkan peningkatan prestasi elektrokimia untuk TFLB. Dalam kerja ini, filem nipis litium silikon oksinitrida (LiSiON) amorfus disediakan oleh magnetron sputtering sebagai elektrolit keadaan pepejal untuk TFLB. Dengan keadaan pemendapan yang dioptimumkan, filem nipis LiSiON mempamerkan kekonduksian ionik yang tinggi sebanyak 6.3×10-6 S∙cm-1 pada suhu bilik dan tingkap voltan lebar melebihi 5 V, menjadikannya elektrolit filem nipis yang sesuai untuk TFLB. TFLB MoO3/LiSiON/Li dibina berdasarkan elektrolit filem nipis LiSiON dengan kapasiti khusus yang besar (282 mAh∙g-1 pada 50 mA∙g-1), keupayaan kadar yang baik (50 mAh∙g -1 pada 800 mA∙g-1), dan hayat kitaran yang boleh diterima (78.1% pengekalan kapasiti selepas 200 kitaran), menunjukkan kebolehlaksanaan elektrolit ini untuk aplikasi praktikal.

Kata kunci:LISION; elektrolit filem nipis; bateri litium semua keadaan pepejal; bateri filem nipis

Perkembangan pesat industri mikroelektronik, seperti sistem mikro-elektromekanikal (MEMS), penderia mikro, kad pintar, dan peranti perubatan mikro boleh implan, membawa kepada peningkatan permintaan untuk penyimpanan tenaga bersaiz mikro bersepadu^[1,2]. Di antara teknologi bateri yang tersedia, bateri litium filem nipis (TFLB) semua keadaan pepejal dianggap sebagai sumber kuasa yang ideal untuk peranti mikroelektronik kerana keselamatannya yang tinggi, saiz kecil, reka bentuk kuasa pada cip, hayat kitaran yang panjang dan rendah. kadar pelepasan diri. Sebagai salah satu komponen utama dalam TFLB, elektrolit filem nipis keadaan pepejal memainkan peranan penting dalam menentukan sifat TFLB.^[3]. Oleh itu, membangunkan elektrolit filem nipis keadaan pepejal berprestasi tinggi sentiasa menjadi matlamat penting untuk pembangunan TFLB. Pada masa ini, elektrolit yang paling banyak digunakan dalam TFLB ialah litium fosforus oksinitrida (LiPON), yang mempunyai kekonduksian ionik sederhana (2×10-6 S∙cm-1), kekonduksian elektronik yang rendah (~{{5 }} S∙cm-1), tingkap voltan lebar (~5.5 V), dan kestabilan sentuhan yang baik dengan litium^[4,5]. Walau bagaimanapun, kekonduksian ioniknya agak rendah, yang menghalang pembangunan masa depan TFLB berkuasa tinggi untuk era Internet Perkara (IoT) yang akan datang^[6]. Oleh itu, adalah penting untuk membangunkan elektrolit filem nipis baharu dengan peningkatan kekonduksian ionik, serta tetingkap voltan besar dan kestabilan sentuhan yang baik dengan litium untuk TFLB generasi akan datang.

Di antara pelbagai bahan elektrolit keadaan pepejal tak organik, sistem larutan pepejal Li2O-SiO2 dan fasa deuterogennya dikenal pasti sebagai elektrolit filem nipis yang berpotensi kerana saluran pengaliran litium tiga dimensi yang pantas.^[7]. Sebagai contoh, Chen, et al.^[8]melaporkan bahawa Al menggantikan Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O elektrolit pepejal mempunyai kekonduksian ionik yang tinggi iaitu 5.4×10-3 S∙cm{{12} } pada 200 darjah . Adnan, et al.^[9] mendapati bahawa Li4Sn0.0Kompaun 2Si0.98O4 mempunyai nilai kekonduksian maksimum 3.07×10-5 S∙cm-1 pada suhu ambien. Walau bagaimanapun, kerja-kerja terdahulu pada sistem elektrolit Li2O-SiO2 kebanyakannya tertumpu pada bahan serbuk dengan kehabluran tinggi, manakala kerja yang sangat terhad dilaporkan pada rakan filem nipis amorfus mereka untuk TFLB. Oleh kerana TFLB biasanya dibina dengan memendapkan filem nipis katod, elektrolit dan anod lapisan demi lapisan, filem elektrolit perlu disediakan pada suhu yang agak rendah untuk mengelakkan interaksi yang tidak baik antara katod dan elektrolit, yang mengakibatkan keretakan dan litar pintas TFLB itu^[1,2]. Oleh itu, membangunkan elektrolit Li2O-SiO2 dengan ciri amorf yang disediakan pada suhu rendah adalah penting untuk TFLB. Walaupun kerja baru-baru ini^[6] menunjukkan bahawa kekonduksian litium ionik yang tinggi sebanyak 2.06×10-5 S∙cm-1 boleh diperolehi oleh filem nipis Li-Si-PON amorfus, kestabilan sentuhannya dengan elektrod dan kestabilan elektrokimia dalam TFLB masih belum disiasat. Oleh itu, adalah sangat penting untuk membangunkan elektrolit filem nipis berasaskan Li2O-SiO2 berprestasi tinggi dan menunjukkan aplikasi sebenar dalam TFLB.

Dalam kerja ini, filem nipis litium silikon oksinitrida (LiSiON) amorfus telah disediakan oleh magnetron frekuensi radio (RF) terpercik pada suhu bilik dan disiasat sebagai elektrolit keadaan pepejal untuk TFLB. Kuasa sputtering dan aliran gas kerja N2/Ar telah dioptimumkan untuk mendapatkan keadaan pemendapan terbaik untuk filem nipis LiSiON. Selain itu, untuk menunjukkan kebolehgunaan elektrolit LiSiON yang dioptimumkan untuk TFLB, sel penuh MoO3/LiSiON/Li telah dibina dan prestasi elektrokimianya telah disiasat secara sistematik.

1 Eksperimen

1.1 Penyediaan filem nipis LiSiON

Filem nipis LiSiON telah disediakan oleh RF magnetron sputtering (Kurt J. Lesker) menggunakan sasaran Li2SiO3 (76.2 mm diameter) pada suhu bilik selama 12 jam. Sebelum pemendapan, tekanan ruang dikurangkan kepada kurang daripada 1×10-5 Pa. Jarak dari sasaran ke substrat ialah 10 cm. Sampel yang disimpan di bawah kuasa RF 80, 100 dan 120 W pada aliran 90 sccm N2 ditandakan sebagai sampel LiSiON-80N9, LiSiON-100N9 dan LiSiON-120N9, masing-masing. Dan sampel yang dimendapkan di bawah kuasa RF 100 W pada aliran 90 sccm N2 dan 10 sccm Ar, 90 sccm N2 dan 50 sccm Ar, 50 sccm N2 dan 50 sccm Ar ditandakan sebagai sampel LiSiON- 100N9A1, LiSiON -100N9A5 dan LiSiON-100N5A5, masing-masing.

1.2 Penyediaan MoO3/LiSiON/Li TFLB

Filem MoO3 disediakan oleh magnetron reaktif arus terus (DC) (Kurt J. Lesker) menggunakan sasaran logam tulen Mo (diameter 76.2 mm) mengikut laporan kami sebelum ini^[10]. Jarak dari sasaran ke substrat ialah 10 cm, dan kuasa sputtering DC ialah 60 W. Pemendapan dilakukan pada suhu substrat 100 darjah selama 4 jam pada aliran 40 sccm Ar dan 10 sccm O2, dengan penyepuhlindapan in-situ rawatan pada 450 darjah selama 1 jam. LiSiON-100N9A1 kemudiannya didepositkan pada filem MoO3 sebagai elektrolit. Selepas itu, filem litium logam dengan ketebalan kira-kira 2 μm diendapkan pada filem LiSiON melalui penyejatan haba vakum (Kurt J. Lesker). Langkah fabrikasi terakhir melibatkan pemendapan pengumpul arus Cu dan proses enkapsulasi.

1.3 Pencirian bahan

Struktur kristal sampel dicirikan oleh pembelauan sinar-X (XRD, Bruker D8 Advance). Morfologi dan mikrostruktur sampel telah dicirikan oleh mikroskop elektron pengimbasan pelepasan medan (FESEM, FEI Quanta 250F) yang dilengkapi dengan spektroskopi sinar-X (EDS) penyebaran tenaga. Komposisi unsur sampel dianalisis dengan spektrometri jisim plasma gandingan induktif (ICP-MS, Agilent 7700X). Komposisi kimia dan maklumat ikatan sampel diukur dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Escalab 250XI, Thermo Scientific).

1.4 Pengukuran elektrokimia

Kekonduksian ionik elektrolit filem nipis LiSiON diukur menggunakan struktur diapit Pt/LiSiON/Pt. Spektroskopi impedans elektrokimia (EIS) (daripada 1000 kHz hingga 0.1 Hz dengan amplitud potensi 5 mV) dan pengukuran voltammetri (CV) kitaran sampel telah dijalankan pada elektrokimia Biologic VMP3 stesen kerja. Pengukuran cas/nyahcas galvanostatik (GCD) MoO3/LiSiON/Li TFLB telah dijalankan menggunakan sistem bateri Neware BTS4000 dalam kotak sarung tangan yang diisi argon pada suhu bilik. Imbangan Analitik Sartorius (CPA225D, dengan resolusi 10 ug) telah digunakan untuk menentukan pemuatan jisim elektrod dan pemuatan jisim filem MoO3 ialah kira-kira 0.4 mg∙cm-2.

2 Keputusan dan perbincangan

Seperti yang ditunjukkan dalam imej optik yang dimasukkan dalam Rajah 1(a), sasaran Li2SiO3 digunakan untuk menyediakan filem nipis LiSiON. Keputusan XRD dalam Rajah 1(a) mendedahkan bahawa sasaran terdiri daripada fasa Li2SiO3 (JCPDS 83-1517) utama dan fasa SiO2 kecil. Pengukuran ICP-MS menunjukkan bahawa nisbah atom Li : Si adalah kira-kira 1.79 : 1 dalam sasaran. Filem nipis amorfus lutsinar diperoleh untuk sampel tipikal LiSiON-100N9A1 selepas memercikkan sasaran (Rajah 1(b)). Ketebalan sampel biasa LiSiON-100N9A1 yang diukur daripada imej keratan rentas FESEM dalam Rajah 1(c) ialah kira-kira 1.2 μm, menunjukkan kadar pertumbuhan kira-kira 100 nm∙j-1 di bawah ini syarat. Seperti yang ditunjukkan dalam imej FESEM paparan atas dalam Rajah 1(d), permukaan filem nipis LiSiON sangat licin dan padat tanpa retak atau lubang jarum, menjadikannya elektrolit pepejal yang sesuai untuk TFLB bagi mengelakkan pintasan dan masalah keselamatan.

Rajah 1 (a) Corak XRD dan imej optik sasaran Li2SiO3; (b) Corak XRD dan imej optik sampel tipikal LiSiON- 100N9A1; (c) Imej keratan rentas dan (d) paparan atas FESEM sampel tipikal LiSiON-100N9A1

Analisis XPS telah dijalankan untuk menyiasat komposisi kimia dan maklumat ikatan sasaran Li2SiO3 dan sampel tipikal LiSiON-100N9A1. Spektrum imbasan tinjauan XPS dalam Rajah 2(a) mendedahkan kehadiran unsur Li, Si, dan O dalam sasaran Li2SiO3 dan pengenalan unsur N dalam filem nipis LiSiON. Nisbah atom N : Si dalam filem nipis LiSiON adalah kira-kira 0.33 : 1 mengikut keputusan XPS. Menggabungkan dengan nisbah atom sepadan (1.51 : 1) yang diperolehi oleh pengukuran ICP-MS, stoikiometri bagi sampel biasa LiSiON-100N9A1 ditentukan sebagai Li1.51SiO2.26N0.33. Berbanding dengan puncak Si-Si (103.2 eV) tunggal dalam spektrum XPS peringkat teras Si2p sasaran Li2SiO3 (Rajah 2(b)), puncak Si-N (101.6 eV) tambahan boleh diperhatikan daripada filem nipis LiSiON , mencadangkan berlakunya nitridasi dalam LiSiON^[11,12]. Spektrum XPS peringkat teras O1 bagi sasaran Li2SiO3 dalam Rajah 2(c) menunjukkan dua persekitaran ikatan: 531.5 eV berasal daripada SiOx dan 528.8 eV yang diberikan kepada Li2O. Selepas pemendapan, komponen tambahan yang muncul pada 530.2 eV boleh diperhatikan dengan filem nipis LiSiON, yang boleh ditugaskan kepada oksigen tidak menjembatani (Hidup) dalam silikat^[13,14]. Spektrum XPS peringkat teras N1 bagi filem nipis LiSiON dalam Rajah. 2(d) boleh dipisahkan kepada tiga puncak, termasuk 398.2 eV untuk ikatan Si-N, 396.4 eV untuk Li3N dan 403.8 eV untuk spesies nitrit NO{{11} }, seterusnya mengesahkan penggabungan N ke dalam rangkaian LiSiON^[14,15,16]. Seperti yang digambarkan secara skematik dalam Rajah 2(e), penggabungan N ke dalam rangkaian LiSiON boleh membentuk lebih banyak struktur silang silang, yang bermanfaat untuk pengaliran ion litium yang cepat^[6,17].

Rajah 2 (a) Imbasan tinjauan, (b) peringkat teras Si2p, (c) peringkat teras O1 dan (d) spektrum XPS peringkat teras N1 sasaran Li2SiO3 dan sampel tipikal LiSiON-100N9A1; (e) Ilustrasi skematik perubahan struktur separa daripada Li2SiO3 kepada LiSiON dengan penggabungan N

Untuk mengoptimumkan kekonduksian ionik dan kestabilan elektrokimia filem nipis LiSiON, pelbagai filem nipis LiSiON dimendapkan pada kuasa sputtering yang berbeza, dan aliran gas yang berfungsi dibandingkan dari segi kekonduksian ionik dan tingkap voltannya. Plot Nyquist suhu bilik bagi filem nipis LiSiON digambarkan dalam Rajah 3(a), dan struktur sandwic Pt/LiSiON/Pt yang sepadan dan litar setara ditunjukkan dalam Rajah 3(b). Seperti yang diperhatikan, plot Nyquist mempamerkan separuh bulatan tunggal dan ekor kapasitans dielektrik, yang merupakan ciri dielektrik pengalir filem nipis dengan proses kelonggaran pukal diapit di antara kenalan menyekat.^[17]. Kekonduksian ionik (σi) filem nipis LiSiON boleh dikira dengan menggunakan Pers. (1).

σi=d/(RA)

Rajah 3 (a) Spektroskopi impedans elektrokimia (EIS) bagi filem nipis LiSiON yang dimendapkan dalam keadaan berbeza; (b) Ilustrasi skematik struktur sandwic Pt/LiSiON/Pt dan litar setara yang sepadan; (c) lengkung CV filem nipis LiSiON yang didepositkan di bawah keadaan yang berbeza; (d) Lengkung kronoamperometri sampel LiSiON-100N9A1

di mana d ialah ketebalan filem, A ialah kawasan berkesan (kira-kira 1 cm2), dan R ialah rintangan filem yang dianggarkan daripada plot Nyquist yang diukur. Kekonduksian ionik yang dikira untuk filem nipis LiSiON ini dibandingkan dalam Jadual 1. Seperti yang diperhatikan, kekonduksian ionik filem nipis LiSiON yang dimendapkan pada aliran malar 90 sccm N2 meningkat dengan peningkatan kuasa sputtering daripada 80 W kepada 100 W, kemudian berkurangan. apabila kuasa sputtering dinaikkan lagi kepada 120 W, yang serupa dengan laporan sebelumnya tentang elektrolit LiPON^[18]. Peningkatan yang jelas dalam kekonduksian ionik boleh diperhatikan apabila nisbah N2 dalam gas kerja di bawah kuasa sputtering malar 100 W digalakkan, yang boleh dikaitkan dengan peningkatan jumlah nitrogen yang digabungkan dalam LiSiON dengan persekitaran yang lebih baik untuk ion litium gerakan^{[5, 18]}. Nyata, sampel LiSiON- 100N9 dan LiSiON-100N9A1 menunjukkan kekonduksian ionik tertinggi masing-masing 7.1×10-6 dan 6.3×10-6 S∙cm-1 , yang jelas lebih tinggi daripada LiPON yang terkenal (~2×10-6 S∙cm-1), LiNbO3 amorfus yang dilaporkan sebelum ini (~1×10-6 S∙cm{{19} })^[19], LiBON (2.3×10-6 S∙cm-1)^[20], Li-V-Si-O (~1×10-6 S∙cm-1)^[21], Li-La-Zr-O (4×10-7 S∙cm-1)^[22], dan Li-Si-PO (1.6×10-6 S∙cm-1)^[23]filem elektrolit, mendedahkan bahawa filem nipis LiSiON amorfus adalah calon kompetitif sebagai elektrolit untuk TFLB. Kekonduksian ion yang tinggi bagi filem nipis LiSiON boleh dikaitkan dengan penggabungan N ke dalam filem nipis dan pembentukan ikatan Si-N dan bukannya ikatan Si-O, yang membawa kepada rangkaian anionik yang lebih retikulasi untuk mobiliti ion litium yang mudah.^{[17, 24]}. Tingkap voltan stabil elektrokimia bagi filem nipis LiSiON telah dinilai dengan pengukuran CV pada kadar imbasan 5 mV∙s-1 dengan voltan sehingga 5.5 V. Perlu dinyatakan bahawa kesan keadaan pemendapan pada voltan tetingkap filem LiSiON berbeza-beza, yang tidak dapat dijelaskan oleh mekanisme yang jelas pada masa ini kerana tiada penyelidikan yang berkaitan dalam laporan terdahulu tentang elektrolit filem nipis^[18,24-25]. Namun begitu, berbanding dalam Rajah 3(c) dan Jadual 1, sampel LiSiON-100N9A1 dan LiSiON- 100N5A5 menunjukkan tetingkap voltan terluas ~5.0 dan ~5.2 V , masing-masing, yang hampir dengan elektrolit LiPON. Oleh itu, mengambil kira kekonduksian ionik dan tetingkap voltan, sampel LiSiON- 100N9A1 telah dipilih untuk penyiasatan lanjut dan fabrikasi sel penuh. Untuk meneroka nombor pemindahan ion litium (τi) dan kekonduksian elektronik (σe) sampel LiSiON-100N9A1, chronoamperometry selanjutnya dilakukan pada voltan malar 10 mV (Rajah 3(d)). τi boleh dikira dengan Pers. (2).

τi=(Ib-Ie)/Ib

di mana Ib ialah arus polarisasi awal, dan Ie ialah arus keadaan mantap^[18]. τi dikira sebagai 0.998, yang hampir dengan 1, menunjukkan bahawa pengaliran ion litium dominan secara mutlak dalam elektrolit. τi ditentukan oleh kesan campuran pengaliran ion dan elektron^[24], yang boleh dinyatakan dengan Pers. (3).

τi=σi/(σi+σe)

Oleh itu, σe sampel LiSiON-100N9A1 dikira sebagai 1.26×10-8 S∙cm-1, yang boleh diabaikan berbanding dengan kekonduksian ionnya.

Jadual 1 Perbandingan kekonduksian ion litium dan tingkap voltan filem nipis LiSiON yang dimendapkan dalam keadaan berbeza

Untuk mengesahkan kebolehlaksanaan sampel yang dioptimumkan LiSiON{{0}}N9A1 untuk aplikasi TFLB, MoO3/LiSiON/Li TFLB telah dibuat lagi. Imej keratan rentas FESEM dan imej pemetaan EDS yang sepadan bagi TFLB MoO3/LiSiON/Li ditunjukkan dalam Rajah 4(a). Seperti yang diperhatikan, katod MoO3 (kira-kira 1.1 μm ketebalan) dan anod Li dipisahkan dengan baik oleh elektrolit LiSiON, dan elektrolit LiSiON mempunyai antara muka hubungan yang ketat dengan kedua-dua katod dan anod. Rajah 4(b) memaparkan lengkung CV tipikal TFLB pada kadar imbasan 0.1 mV∙s-1 antara 1.5-3.5 V, yang menunjukkan sepasang puncak redoks yang jelas pada sekitar 2.25 dan 2.65 V, sepadan dengan pemasukan ion litium ke dalam dan pengekstrakan daripada MoO3^[10]. Rajah 4(c) menggambarkan 3 lengkung cas/nyahcas galvanostatik awal TFLB pada ketumpatan arus 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2, berdasarkan jisim filem MoO3 ). Seperti yang diperhatikan, TFLB menyampaikan kapasiti pengecasan/nyahcas awal sebanyak 145/297 mAh∙g-1 (58/118.8 μAh∙cm-2). Selepas kitaran ke-2, gelagat berbasikal mantap dengan kapasiti khusus boleh balik yang tinggi sebanyak 282 mAh∙g-1 telah dicapai oleh TFLB. Prestasi kadar TFLB pada pelbagai ketumpatan semasa digambarkan dalam Rajah 4(d). Kehilangan kapasiti tak boleh balik TFLB dalam beberapa kitaran awal pada ketumpatan arus rendah boleh dikaitkan dengan peralihan fasa tak boleh balik dalam MoO3 yang diperolehi oleh penyisipan litium^[26]. Kapasiti nyahcas stabil kira-kira 219, 173, 107 dan 50 mAh∙g-1 diperhatikan pada 100, 200, 400 dan 800 mA∙g-1, masing-masing, menunjukkan keupayaan kadar yang baik. Untuk menilai kestabilan elektrokimia TFLB, prestasi kitaran selanjutnya dilakukan pada ketumpatan arus 200 mA∙g-1 (Rajah 4(e)). TFLB boleh mengekalkan 78.1% daripada kapasiti nyahcas awalnya selepas 200 kitaran, dan kecekapan Coulombic hampir 100% untuk setiap kitaran, mendedahkan kestabilan elektrokimia yang boleh diterima bagi elektrolit LiSiON. Pengukuran EIS selanjutnya dilakukan pada voltan litar terbuka untuk menyiasat antara muka elektrolit/elektrod dalam TFLB pada nombor kitaran yang berbeza, dan plot Nyquist yang sepadan dengan litar setara digambarkan dalam Rajah 4(f). Seperti yang diperhatikan, MoO3/LiSiON/Li TFLB menunjukkan spektrum EIS yang serupa yang terdiri daripada dua separuh bulatan di kawasan frekuensi tinggi pada keadaan segar dengan MoO3/LiPON/Li TFLB dalam kerja kami sebelum ini^[10], menunjukkan bahawa rintangan antara muka Li/LiSiON adalah diabaikan berbanding antara muka LiSiON/MoO3^[20]. Separuh bulatan kecil pertama dalam plot Nyquist dikaitkan dengan pengaliran ionik ion Li+ dalam elektrolit LiSiON, manakala separuh bulatan besar kedua sepadan dengan proses pemindahan caj pada antara muka LiSiON/MoO3^[27,28]. Adalah diperhatikan bahawa separuh bulatan kecil pertama jarang berubah semasa kitaran, menunjukkan kestabilan kitaran yang agak baik bagi elektrolit LiSiON. Walau bagaimanapun, separuh bulatan kedua secara beransur-ansur mengembang apabila nombor kitaran berkembang, mendedahkan peningkatan rintangan antara muka LiSiON/MoO3 semasa berbasikal, yang boleh menjadi sebab utama untuk pudar kapasiti TFLB^[29]. Perlu dinyatakan bahawa kerja ini berjaya menggunakan elektrolit LiSiON untuk membina TFLB dan menunjukkan hubungan antara muka LiSiON yang baik dengan kedua-dua katod MoO3 dan anod litium buat kali pertama. Selain itu, kapasiti khusus yang besar, keupayaan kadar yang baik dan prestasi kitaran yang boleh diterima TFLB MoO3/LiSiON/Li menunjukkan bahawa filem nipis LiSiON boleh digunakan dengan baik sebagai elektrolit untuk TFLB.

Rajah 4 (a) Imej keratan rentas FESEM dan imej pemetaan EDS yang sepadan bagi TFLB MoO3/LiSiON/Li; (b) Keluk CV biasa, (c) tiga keluk cas/nyahcas awal, (d) prestasi kadar, (e) prestasi kitaran, dan (f) spektrum EIS pada nombor kitaran berbeza MoO3/LiSiON/Li TFLB dengan sampel LiSiON -100N9A1 sebagai elektrolit

3 Kesimpulan

Secara ringkasnya, elektrolit filem nipis LiSiON amorfus telah berjaya disediakan oleh RF magnetron sputtering menggunakan sasaran Li2SiO3 dengan aliran gas N2/Ar. Filem nipis LiSiON yang dioptimumkan didepositkan di bawah kuasa RF 100 W pada aliran 90 sccm N2 dan 10 sccm Ar mempunyai permukaan licin, struktur padat, kekonduksian ion tinggi (6.3×10-6 S∙cm-1) , dan tingkap voltan lebar (5 V), menjadikannya bahan elektrolit yang menjanjikan untuk TFLB. Lebih penting lagi, dengan menggunakan elektrolit LiSiON, TFLB MoO3/LiSiON/Li berjaya ditunjukkan buat kali pertama dengan kapasiti khusus yang tinggi (282 mAh∙g-1 pada 50 mA∙g-1), bagus prestasi kadar (50 mAh∙g-1 pada 800 mA∙g-1), dan kestabilan kitaran yang boleh diterima (78.1% pengekalan kapasiti selepas 200 kitaran). Kerja ini dijangka membawa peluang baharu untuk membangunkan TFLB berprestasi tinggi dengan menggunakan elektrolit filem nipis berasaskan Li2O-SiO2.

Rujukan

[1] MOITZHEIM S, PUT B, VEREECKEN P M. Kemajuan dalam bateri Li-ion filem nipis 3D. Antara Muka Bahan Terperinci, 2019,6(15):1900805.
[2] XIA Q, ZHANG Q, SUN S, et al. Tatasusunan helaian nano LixMnO2 intergrowth terowong sebagai katod 3D untuk mikrobateri litium filem nipis semua keadaan pepejal berprestasi tinggi. Bahan Lanjutan, 2021,33(5):2003524.
[3] DENG Y, EAMES C, FLEUTOT B, et al. Meningkatkan kekonduksian ion litium dalam elektrolit pepejal litium superionik (LISICON) melalui kesan polianion bercampur. Bahan & Antara Muka Gunaan ACS, 2017,9(8):7050-7058.
[4] BATES JB, DUDNEY NJ, GRUZALSKI GR, et al. Fabrikasi dan pencirian filem nipis elektrolit litium amorfus dan bateri filem nipis boleh dicas semula. Journal of Power Sources, 1993,43(1/2/3):103-110.
[5] BATES J. Sifat elektrik filem nipis elektrolit litium amorf. Ionik Keadaan Pepejal, 1992,53(56):647-654.
[6] FAMPRIKIS T, GALIPAUD J, CLEMENS O, et al. Kebergantungan komposisi kekonduksian ionik dalam elektrolit filem nipis LiSiPO(N) untuk bateri keadaan pepejal. Bahan Tenaga Gunaan ACS, 2019,2(7):4782-4791.
[7] DENG Y, EAMES C, CHOTARD JN, et al. Cerapan struktur dan mekanistik tentang pengaliran litium-ion yang pantas dalam elektrolit pepejal Li4SiO4- Li3PO4. Journal of the American Chemical Society, 2015,137(28):9136-9145.
[8] CHEN R, SONG X. Kekonduksian ionik elektrolit pepejal untuk sistem Li4+xMxSi1-xO4-yLi2O (M=Al, B). Jurnal Persatuan Kimia Cina, 2002,49:7-10.
[9] ADNAN S, MOHAMED N S. Kesan penggantian Sn pada sifat elektrolit seramik Li4SiO4. Ionik Keadaan Pepejal, 2014,262:559-562.
[10] SUN S, XIA Q, LIU J, et al. Susunan nanoflake -MoO3-x berdiri sendiri kekurangan oksigen sebagai katod 3D untuk bateri litium filem nipis semua keadaan pepejal termaju. Jurnal Bahan, 2019,5(2):229-236.
[11] DING W, LU W, DENG X, et al. Kajian XPS mengenai struktur filem SiNx yang didepositkan oleh gelombang mikro ECR magnetron sputtering. Acta Physica Sinica, 2009,58(6):4109-4116.
[12] KIM H, KIM Y. Nitridasi separa Li4SiO4 dan kekonduksian ionik Li4. 1SiO3. 9N0. 1Ceramics International, 2018,44(8):9058-9062.
[13] MARIKO M, HIDEMASA K, TOMOYUKI O, et al. Analisis anod SiO untuk bateri litium-ion. Journal of The Electrochemical Society, 2005,152(10):A2089.
[14] FINGERLE M, BUCHHEIT R, SICOLO S, et al. Pembentukan lapisan cas tindak balas dan ruang di antara muka LiCoO2-LiPON: cerapan tentang pembentukan kecacatan dan penjajaran aras tenaga ion melalui pendekatan simulasi sains permukaan gabungan. Bahan Kimia, 2017,29(18):7675-7685.
[15] WEST W, HOOD Z, ADHIKARI S, et al. Pengurangan rintangan pemindahan cas pada antara muka elektrolit-elektrod pepejal dengan pemendapan laser berdenyut filem daripada sumber Li2PO2N berhablur. Jurnal Sumber Kuasa, 2016,312:116-122.
[16] SICOLO S, FINGERLE M, HAUSBRAND R, et al. Ketidakstabilan antara muka LiPON amorf terhadap litium: gabungan teori fungsi ketumpatan dan kajian spektroskopi. Jurnal Sumber Kuasa, 2017,354:124-133.
[17] WU F, LIU Y, CHEN R, et al. Penyediaan dan prestasi elektrolit filem nipis Li-Ti-Si-PON novel untuk bateri litium filem nipis. Jurnal Sumber Kuasa, 2009,189(1):467-470.
[18] PUT B, VEREECKEN M, MEERSSCHAUT J, et al. Pencirian elektrik lapisan LiPON terpercik RF ultranipis untuk bateri skala nano. Bahan & Antara Muka Gunaan ACS, 2016,8(11):7060-7069.
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Li+ Pengaliran dalam filem Li-Nb-O yang dimendapkan dengan kaedah Sol-Gel. Ionik Keadaan Pepejal, 2016,285:13-18.
[20] SONG S, LEE K, PARK H. Mikrobateri semua keadaan pepejal fleksibel berprestasi tinggi berdasarkan elektrolit pepejal litium boron oxynitride. Jurnal Sumber Kuasa, 2016,328:311-317.
[21] OHTSUKA H, OKADA S, YAMAKI J. Bateri keadaan pepejal dengan Li2O-V2O5-SiO2 pepejal elektrolit filem nipis. Ionik Keadaan Pepejal, 1990,40-41:964-966.
[22] Kalita D, Lee S, Lee K, et al. Sifat kekonduksian ionik bagi elektrolit pepejal Li-La-Zr-O amorfus untuk bateri filem nipis. Ionik Keadaan Pepejal, 2012,229:14-19.
[23] SAKURAI Y, SAKUDA A, HAYASHI A, et al. Penyediaan filem nipis Li4SiO4-Li3PO4 amorfus melalui pemendapan laser berdenyut untuk bateri sekunder litium semua keadaan pepejal. Ionik Keadaan Pepejal, 2011,182:59-63.
[24] TAN G, WU F, LI L, et al. Penyediaan sputtering magnetron bagi elektrolit filem nipis berasaskan litium-aluminium-titanium fosfat yang diperbadankan nitrogen untuk bateri ion litium semua keadaan pepejal. The Journal of Physical Chemistry C, 2012,116(5):3817-3826.
[25] YU X, BATES JB, JELLISON G, et al. Elektrolit litium filem nipis yang stabil: litium fosforus oksinitrida. Journal of The Electrochemical Society, 1997,144(2):524.
[26] KIM H, COOK J, LIN H, et al. Kekosongan oksigen meningkatkan sifat penyimpanan cas pseudocapacitive MoO3-x. Bahan Alam Semula Jadi, 2017,16:454-460.
[27] SONG H, WANG S, SONG X, et al. Bateri litium udara semua keadaan pepejal dipacu suria beroperasi pada suhu rendah yang melampau. Tenaga & Sains Alam Sekitar, 2020,13(4):1205-1211.
[28] WANG Z, LEE J, XIN H, et al. Kesan lapisan antara muka elektrolit katod (CEI) pada kitaran jangka panjang bagi bateri filem nipis semua keadaan pepejal. Jurnal Sumber Kuasa, 2016,324:342-348.
[29] QIAO Y, DENG H, HE P, et al. Sel litium-logam 500 Wh/kg berdasarkan redoks anionik. Joule, 2020,4(6):1311-1323.