磁控濺射制備鋰離子電池用鋰磷氧氮和鈦錫合金薄膜.pdf

1、為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的全球溫室效應(yīng)和化石燃料資源枯竭問題帶來的挑戰(zhàn)，加快實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)是一種必然趨勢(shì)，而決定其成敗與否的關(guān)鍵是新材料的研發(fā)。鋰離子電池由于能夠較好實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，作為一種新型化學(xué)電源得到了快速發(fā)展。另一方面，日漸輕巧的便攜式電子產(chǎn)品、微型電子制品正在驅(qū)使著鋰離子電池向薄膜化、固態(tài)化、微型化方向發(fā)展。在本論文中，重點(diǎn)對(duì)全固態(tài)薄膜鋰離子電池中的固態(tài)無機(jī)電解質(zhì)薄膜和Sn-Ti合金負(fù)極薄膜展開了研究。
　

2、　用于全固態(tài)薄膜電池的電解質(zhì)需要有高的離子電導(dǎo)率、低的電子電導(dǎo)率，并能在工作電勢(shì)范圍內(nèi)與正、負(fù)電極穩(wěn)定共存。自從Bates等首次證實(shí)非晶態(tài)的鋰磷氧氮(LiPON，Lithium Phosphorous Oxynitride)可作為一種有前景的固態(tài)電解質(zhì)材料以后，很多研究者對(duì)眾多不同方法制備的LiPON薄膜性質(zhì)進(jìn)行了報(bào)道。盡管不少研究工作都具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，發(fā)現(xiàn)了微量的N替代了Li3PO4中的O后極大地增強(qiáng)了材料的鋰離子電導(dǎo)率，但是制備過

3、程中有關(guān)技術(shù)參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響還不是十分清楚。我們通過在N2中射頻磁控濺射在本實(shí)驗(yàn)室高溫?zé)Y(jié)而成的Li3PO4靶材成功的制備了LiPON薄膜，初步測(cè)試結(jié)果表明其性能良好，離子電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)分別為1.2×10-6S/cm、0.9944。
　　將金屬Sn合金化被認(rèn)為是提高Sn基材料電化學(xué)性能的一個(gè)可能途徑。鑒于金屬Ti的特殊性質(zhì)，我們采用直流磁控濺射技術(shù)在交替濺射和共濺射兩種模式下分別制備了不同結(jié)構(gòu)的Sn-Ti復(fù)合材料薄膜電極，

4、較系統(tǒng)地研究了薄膜結(jié)構(gòu)、電極形貌、材料結(jié)晶狀態(tài)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。
　　首先采用交替濺射方式制備Sn-Ti雙層膜，系統(tǒng)研究了Sn層、Ti層沉積順序及厚度對(duì)電化學(xué)行為的影響。對(duì)Sn/Ti薄膜，先沉積500nm厚的Sn層，再鍍不同厚度的Ti層，隨著Ti層厚度增大至200nm，純Sn相逐漸消失，循環(huán)性能改善，但首次不可逆容量損失有所增大；對(duì)Ti/Sn薄膜，首先沉積Ti層，再沉積Sn層，發(fā)現(xiàn)Sn層出現(xiàn)了明顯的擇優(yōu)取向，且顆粒表面光滑、

5、尺寸達(dá)到500nm量級(jí)，充放電行為類似純金屬Sn，循環(huán)性能差。
　　隨后，將Sn、Ti層的總厚度分別恒定在500nm，采用交替濺射方式同步增加Sn、Ti層的層數(shù)至4、8。發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)增多，純Sn相逐漸消失，循環(huán)性能改善明顯。
　　最后采用共濺射方式制備Sn、Ti復(fù)合膜，所制備的薄膜結(jié)晶性良好，形貌兼具純Sn和Ti襯底上鍍Sn(Ti/Sn膜)的特點(diǎn)，具有典型的金屬Sn的電化學(xué)性能，推斷可能是由于Ti的沉積速度只有Sn的1/8，