Amorfinis LiSiON plonasluoksnis elektrolitas

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

Medžiagų mokslo ir inžinerijos mokykla, Nankino mokslo ir technologijos universitetas, Nankinas 210094, Kinija

Abstraktus

Visiškai kietojo kūno plonasluoksnė ličio baterija (TFLB) laikoma idealiu mikroelektronikos prietaisų maitinimo šaltiniu. Tačiau santykinai mažas amorfinio kietojo kūno elektrolito joninis laidumas riboja TFLB elektrocheminių savybių gerinimą. Šiame darbe amorfinės ličio silicio oksinitrido (LiSiON) plonos plėvelės paruošiamos magnetroniniu purškimu kaip kietojo kūno elektrolitas TFLB. Esant optimizuotoms nusodinimo sąlygoms, LiSiON plona plėvelė pasižymi dideliu 6,3 × 10-6 S∙cm-1 jonų laidumu kambario temperatūroje ir plačiu įtampos langu, viršijančiu 5 V, todėl ji yra tinkamas plonasluoksnis elektrolitas TFLB. MoO3/LiSiON/Li TFLB sukurtas remiantis LiSiON plonos plėvelės elektrolitu, turinčiu didelę specifinę talpą (282 mAh∙g{11}} esant 50 mA∙g-1), geros spartos (50 mAh∙g) -1 esant 800 mA∙g-1) ir priimtiną ciklo trukmę (78,1 % talpos išlaikymas po 200 ciklų), įrodantis šio elektrolito tinkamumą naudoti praktiškai.

Raktiniai žodžiai:LiSiON; plonasluoksnis elektrolitas; visiškai kietojo kūno ličio baterija; plonasluoksnė baterija

Dėl spartaus mikroelektronikos pramonės, pvz., mikroelektromechaninių sistemų (MEMS), mikro jutiklių, intelektualiųjų kortelių ir implantuojamų mikro medicinos prietaisų, plėtros didėja integruoto mikro dydžio energijos kaupimo poreikis.^[1,2]. Tarp galimų baterijų technologijų kietojo kūno plonasluoksnė ličio baterija (TFLB) yra laikoma idealiu maitinimo šaltiniu mikroelektroniniams įrenginiams dėl didelio saugumo, mažo dydžio, maitinimo į lustą konstrukcijos, ilgo veikimo ir mažo veikimo. savaiminio išsikrovimo greitis. Kietojo kūno plonasluoksnis elektrolitas, kaip vienas iš pagrindinių TFLB komponentų, atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį nustatant TFLB savybes.^[3]. Todėl didelio našumo kietojo kūno plonasluoksnio elektrolito kūrimas visada yra svarbus TFLB plėtros tikslas. Šiuo metu TFLB plačiausiai naudojamas elektrolitas yra amorfinis ličio fosforo oksinitridas (LiPON), kurio joninis laidumas yra vidutinis (2×10-6 S∙cm-1), mažas elektroninis laidumas (~{{5}). }} S∙cm-1), platus įtampos langelis (~5,5 V) ir geras kontakto su ličiu stabilumas^[4,5]. Tačiau jo joninis laidumas yra palyginti mažas, o tai trukdo ateityje plėtoti didelės galios TFLB artėjančiai daiktų interneto (IoT) erai.^[6]. Taigi, naujos kartos TFLB reikia skubiai sukurti naujus plonasluoksnius elektrolitus, turinčius padidintą jonų laidumą, taip pat didelį įtampos langą ir gerą kontakto stabilumą su ličiu.

Tarp įvairių neorganinių kietojo kūno elektrolitų medžiagų Li2O-SiO2 kietojo tirpalo sistema ir jų deuterogeninės fazės buvo identifikuotos kaip potencialūs plonasluoksniai elektrolitai dėl greitų trimačių ličio laidumo kanalų.^[7]. Pavyzdžiui, Chen ir kt.^[8]pranešė, kad Al pakeistas Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O kietas elektrolitas turi didelį joninį laidumą – 5,4×10-3 S∙cm{{12} } esant 200 laipsnių. Adnanas ir kt.^[9] nustatė, kad Li4Sn0.02Si0,98O4 junginio maksimali laidumo vertė yra 3,07 × 10-5 S∙cm-1 esant aplinkos temperatūrai. Tačiau ankstesniuose darbuose su Li2O-SiO2 elektrolitų sistemomis daugiausia dėmesio buvo skiriama miltelinėms medžiagoms, turinčioms didelį kristališkumą, tuo tarpu buvo pranešta apie labai ribotą darbą apie jų amorfines plonas plėveles, skirtas TFLB. Kadangi TFLB paprastai konstruojamas nusodinant plonas katodo, elektrolito ir anodo plėveles sluoksnis po sluoksnio, elektrolito plėvelę reikia paruošti santykinai žemoje temperatūroje, kad būtų išvengta nepalankios katodo ir elektrolito sąveikos, dėl kurios susidaro įtrūkimai ir trumpasis jungimas. TFLB^[1,2]. Taigi TFLB svarbu sukurti Li2O-SiO2 elektrolitą su amorfine savybe, paruoštu žemoje temperatūroje. Nors neseniai atliktas darbas^[6] rodo, kad didelį 2,06 × 10-5 S∙cm-1 ličio jonų laidumą galima gauti naudojant amorfinę Li-Si-PON ploną plėvelę, jos kontakto stabilumas su elektrodais ir elektrocheminis stabilumas TFLB dar turi būti būti ištirti. Todėl labai svarbu sukurti didelio našumo Li2O-SiO2 pagrindu pagamintą plonasluoksnį elektrolitą ir parodyti jo faktinį pritaikymą TFLB.

Šiame darbe amorfinė ličio silicio oksinitrido (LiSiON) plona plėvelė buvo paruošta radijo dažnio (RF) magnetrono dulkinimo būdu kambario temperatūroje ir ištirta kaip kietojo kūno elektrolitas TFLB. Purškimo galia ir N2/Ar darbinių dujų srautas buvo optimizuoti, kad būtų pasiektos geriausios LiSiON plonos plėvelės nusodinimo sąlygos. Be to, siekiant parodyti optimizuoto LiSiON elektrolito pritaikymą TFLB, buvo sukonstruotas pilnas MoO3 / LiSiON / Li elementas ir sistemingai tiriamas jo elektrocheminis veikimas.

1 Eksperimentinis

1.1 LiSiON plonų plėvelių paruošimas

LiSiON plonos plėvelės buvo paruoštos RF magnetroniniu purškimu (Kurt J. Lesker), naudojant Li2SiO3 taikinį (76,2 mm skersmens) kambario temperatūroje 12 val. Prieš nusodinimą kameros slėgis buvo sumažintas iki mažesnio nei 1 × 10-5 Pa. Atstumas nuo taikinio iki substrato buvo 10 cm. Mėginiai, nusodinti naudojant 80, 100 ir 120 W RF galią, esant 90 sccm N2 srautui, pažymėti kaip LiSiON-80N9, LiSiON-100N9 ir LiSiON-120N9 pavyzdžiai, atitinkamai. O mėginiai, nusodinti esant 100 W RF galiai, kai srautas yra 90 sccm N2 ir 10 sccm Ar, 90 sccm N2 ir 50 sccm Ar, 50 sccm N2 ir 50 sccm Ar, yra pažymėti kaip pavyzdys LiSiON- 100N9A1, LiSiON -100N9A5 ir LiSiON-100N5A5 atitinkamai.

1.2 MoO3/LiSiON/Li TFLB paruošimas

MoO3 plėvelė buvo paruošta nuolatinės srovės (DC) reaktyviojo magnetrono dulkinimo būdu (Kurt J. Lesker), naudojant gryno metalo Mo taikinį (76,2 mm skersmens), remiantis mūsų ankstesne ataskaita.^[10]. Atstumas nuo taikinio iki pagrindo buvo 10 cm, o nuolatinės srovės purškimo galia buvo 60 W. Nusodinimas buvo atliktas esant 100 laipsnių substrato temperatūrai 4 valandas, esant 40 sccm Ar ir 10 sccm O2 srautui, atkaitinant in situ. gydymas 450 laipsnių temperatūroje 1 val. Tada LiSiON{10}}N9A1 buvo nusodintas ant MoO3 plėvelės kaip elektrolitas. Po to ant LiSiON plėvelės vakuuminio terminio garinimo būdu buvo nusodinta apie 2 μm storio metalinė ličio plėvelė (Kurt J. Lesker). Paskutinis gamybos etapas apėmė Cu srovės kolektoriaus nusodinimą ir kapsuliavimo procesą.

1.3 Medžiagos apibūdinimas

Mėginių kristalinės struktūros buvo apibūdintos rentgeno spindulių difrakcija (XRD, Bruker D8 Advance). Mėginių morfologijos ir mikrostruktūros buvo apibūdintos lauko emisijos skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (FESEM, FEI Quanta 250F), aprūpintu energiją dispersine rentgeno spektroskopija (EDS). Mėginių elementinės kompozicijos buvo analizuojamos induktyviai susietos plazmos masės spektrometrija (ICP-MS, Agilent 7700X). Mėginių cheminė sudėtis ir surišimo informacija buvo išmatuota rentgeno fotoelektronų spektroskopija (XPS, Escalab 250XI, Thermo Scientific).

1.4 Elektrocheminiai matavimai

LiSiON plonos plėvelės elektrolito joninis laidumas buvo matuojamas naudojant Pt / LiSiON / Pt sudėtinę struktūrą. Mėginių elektrocheminės varžos spektroskopijos (EIS) (nuo 1000 kHz iki 0,1 Hz, kai potencialo amplitudė 5 mV) ir ciklinės voltamperometrijos (CV) matavimai buvo atlikti naudojant Biologic VMP3 elektrocheminį prietaisą. darbo vieta. Galvanostatinis MoO3 / LiSiON / Li TFLB įkrovimo / iškrovimo (GCD) matavimas buvo atliktas naudojant Neware BTS4000 akumuliatorių sistemą argonu užpildytoje pirštinių dėžėje kambario temperatūroje. Elektrodo masės apkrovai nustatyti buvo naudojamas Sartorius analitinis svarstyklės (CPA225D, 10 ug skiriamoji geba), o MoO3 plėvelės masės apkrova yra apie 0,4 mg∙cm-2.

2 Rezultatai ir diskusija

Kaip parodyta optiniame vaizde, įdėtame 1 pav. (a), Li2SiO3 taikinys buvo naudojamas LiSiON plonai plėvelei paruošti. XRD rezultatas 1(a) atskleidžia, kad taikinys susideda iš pagrindinės Li2SiO3 (JCPDS 83-1517) fazės ir nedidelės SiO2 fazės. ICP-MS matavimas rodo, kad Li : Si atominis santykis yra apie 1,79 : 1 taikinyje. Skaidri amorfinė plona plėvelė buvo gauta tipiniam LiSiON-100N9A1 pavyzdžiui po taikinio išpurškimo (1 pav. (b)). Tipinio pavyzdžio LiSiON-100N9A1 storis, išmatuotas iš skerspjūvio FESEM vaizdo 1(c) pav., yra apie 1,2 μm, o tai rodo maždaug 100 nm∙h-1 augimo greitį. sąlyga. Kaip parodyta FESEM vaizde iš viršaus 1(d) pav., LiSiON plonos plėvelės paviršius yra labai lygus ir tankus, be įtrūkimų ar skylučių, todėl jis yra tinkamas kietas elektrolitas TFLB, kad būtų išvengta nuorodų ir saugos problemų.

1 pav. (a) Li2SiO3 taikinio XRD schema ir optinis vaizdas; b) tipinio pavyzdžio LiSiON- 100N9A1 XRD modelis ir optinis vaizdas; (c) Skerspjūvis ir (d) tipinio pavyzdžio LiSiON-100N9A1 FESEM vaizdai iš viršaus

XPS analizė buvo atlikta siekiant ištirti Li2SiO3 taikinio ir tipinio mėginio LiSiON-100N9A1 cheminę sudėtį ir surišimo informaciją. XPS tyrimo nuskaitymo spektrai 2 pav. (a) atskleidžia Li, Si ir O elementų buvimą Li2SiO3 taikinyje ir N elemento įvedimą į LiSiON ploną plėvelę. N : Si atominis santykis LiSiON plonoje plėvelėje yra apie 0,33 : 1 pagal XPS rezultatą. Sujungus su atitinkamu atominiu santykiu (1,51 : 1), gautu ICP-MS matavimu, tipinio mėginio LiSiON-100N9A1 stechiometrija nustatoma kaip Li1.51SiO2.26N0.33. Palyginti su viena Si-Si (103,2 eV) smaile Li2SiO3 taikinio Si2p šerdies lygio XPS spektre (2(b) pav.), papildoma Si-N (101,6 eV) smailė gali būti stebima iš LiSiON plonos plėvelės. , o tai rodo, kad LiSiON vyksta nitridacija^[11,12]. Li2SiO3 tikslo O1s branduolio XPS spektras 2 pav. (c) rodo dvi surišimo aplinkas: 531,5 eV kilęs iš SiOx ir 528,8 eV priskirtas Li2O. Po nusodinimo papildomas komponentas, atsiradęs esant 530,2 eV, gali būti stebimas naudojant LiSiON ploną plėvelę, kurią galima priskirti nejungiančiam deguoniui (Įjungta) silikate^[13,14]. 2(d) pav. LiSiON plonos plėvelės N1s branduolio XPS spektras gali būti išskaidytas į tris smailes, įskaitant 398,2 eV Si-N surišimui, 396,4 eV Li3N ir 403,8 eV nitritų rūšims NO{11} }, dar labiau patvirtinantis N įtraukimą į LiSiON tinklą^[14,15,16]. Kaip schematiškai parodyta 2(e) pav., N įtraukimas į LiSiON tinklą gali sudaryti labiau susietą struktūrą, kuri yra naudinga greitam ličio jonų laidumui.^[6,17].

2 pav. (a) tyrimo nuskaitymas, (b) Si2p šerdies lygis, (c) O1s šerdies lygis ir (d) N1s branduolio lygio XPS Li2SiO3 taikinio ir tipinio pavyzdžio LiSiON-100N9A1 spektrai; (e) Scheminis dalinio struktūros pasikeitimo iš Li2SiO3 į LiSiON, įtraukiant N

Siekiant optimizuoti LiSiON plonų plėvelių joninį laidumą ir elektrocheminį stabilumą, buvo palygintos įvairios LiSiON plonos plėvelės, nusėdusios esant skirtingoms purškimo galioms, ir darbinių dujų srautai pagal jų joninį laidumą ir įtampos langus. LiSiON plonų plėvelių kambario temperatūros Nyquist diagramos pavaizduotos 3 (a) pav., o atitinkama Pt/LiSiON/Pt sumuštinių struktūra ir lygiavertė grandinė parodyta 3 (b) pav. Kaip pastebėta, Nyquist sklypai turi vieną puslankį ir dielektrinę talpos uodegą, kuri būdinga ploną plėvelę laidžiam dielektrikui su masinio atsipalaidavimo procesu, įterptu tarp blokuojančių kontaktų.^[17]. LiSiON plonų plėvelių joninį laidumą (σi) galima apskaičiuoti naudojant lygtį. (1).

%plg�i=d/(RA)

3 pav. (a) LiSiON plonų plėvelių, nusodintų skirtingomis sąlygomis, elektrocheminės varžos spektroskopijos (EIS) spektrai; b) Pt/LiSiON/Pt sumuštinių struktūros ir atitinkamos lygiavertės grandinės schema; c) skirtingomis sąlygomis nusodintų LiSiON plonų plėvelių CV kreivės; d) LiSiON-100N9A1 pavyzdžio chronoamperometrinė kreivė

kur d yra plėvelės storis, A yra efektyvusis plotas (apie 1 cm2), o R yra plėvelės varža, įvertinta pagal išmatuotą Nyquist diagramą. Apskaičiuoti šių LiSiON plonų plėvelių joniniai laidiai lyginami 1 lentelėje. Kaip pastebėta, LiSiON plonos plėvelės, nusodintos pastoviu 90 sccm N2 srautu, joninis laidumas didėja didėjant purškimo galiai nuo 80 W iki 100 W, tada mažėja. kai purškimo galia dar padidinama iki 120 W, o tai panašu į ankstesnę ataskaitą apie LiPON elektrolitą^[18]. Akivaizdus jonų laidumo padidėjimas gali būti stebimas, kai skatinamas N2 santykis darbinėse dujose esant pastoviai 100 W purškimo galiai, o tai gali būti siejama su padidėjusiu įtraukto azoto kiekiu į LiSiON ir palankesnę aplinką ličio jonams. judesį^{[5, 18]}. Pastebėtina, kad pavyzdžiai LiSiON- 100N9 ir LiSiON-100N9A1 rodo didžiausią joninį laidumą – atitinkamai 7,1×10-6 ir 6,3×10-6 S∙cm-1 , kurie akivaizdžiai yra didesni už gerai žinomą LiPON (~2×10-6 S∙cm-1), anksčiau praneštą amorfinį LiNbO3 (~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]ir Li-Si-PO (1,6 × 10-6 S∙cm-1)^[23]elektrolitų plėvelės, atskleidžiančios, kad amorfinė LiSiON plona plėvelė yra konkurencingas kandidatas kaip TFLB elektrolitas. Didelis LiSiON plonos plėvelės jonų laidumas gali būti siejamas su N įtraukimu į ploną plėvelę ir Si-N jungčių susidarymu vietoj Si-O jungčių, todėl susidaro labiau tinklinis anijoninis tinklas, užtikrinantis lengvą ličio jonų mobilumą.^{[17, 24]}. LiSiON plonų plėvelių elektrocheminės stabilios įtampos langai buvo įvertinti CV matavimu, esant 5 mV∙s-1 skenavimo greičiui, kai įtampa iki 5,5 V. Pažymėtina, kad nusodinimo sąlygų įtaka įtampai LiSiON plėvelių langas skiriasi, ko šiuo metu negalima paaiškinti aiškiu mechanizmu, nes ankstesnėse ataskaitose nėra atitinkamų tyrimų apie plonasluoksnį elektrolitą^[18,24-25]. Nepaisant to, lyginant 3 pav. (c) ir 1 lentelėje, pavyzdžiai LiSiON-100N9A1 ir LiSiON- 100N5A5 rodo plačiausius ~50 ir ~5,2 V įtampos langus. , kurie yra artimi LiPON elektrolitui. Todėl, atsižvelgiant ir į jonų laidumą, ir į įtampos langą, tolesniam tyrimui ir viso elemento gamybai buvo pasirinktas LiSiON- 100N9A1 pavyzdys. Norint ištirti LiSiON-100N9A1 mėginio ličio jonų perdavimo skaičių (τi) ir elektroninį laidumą (σe), toliau buvo atlikta chronoamperometrija esant pastoviai 10 mV įtampai (3 (d) pav.). τi galima apskaičiuoti pagal lygtį. (2).

%plg�i=(Ib-Ie)/Ib

kur Ib yra pradinė poliarizacijos srovė, o Ie yra pastovioji srovė^[18]. Apskaičiuota, kad τi yra 0,998, kuris yra artimas 1, o tai rodo, kad elektrolite absoliučiai dominuoja ličio jonų laidumas. τi lemia mišrus jonų ir elektronų laidumo efektas^[24], kurią galima išreikšti lygtimi. (3).

τi=σi/(σi+σe)

Taigi apskaičiuojama, kad pavyzdžio LiSiON-100N9A1 σe yra 1,26 × 10-8 S∙cm-1, o tai yra nereikšminga, palyginti su jo jonų laidumu.

1 lentelė LiSiON plonų plėvelių, nusodintų skirtingomis sąlygomis, ličio jonų laidumo ir įtampos langų palyginimas

Siekiant patikrinti optimizuoto pavyzdžio LiSiON{{0}}N9A1, skirto TFLB programai, tinkamumą, buvo toliau gaminamas MoO3/LiSiON/Li TFLB. MoO3/LiSiON/Li TFLB skerspjūvio FESEM vaizdas ir atitinkami EDS atvaizdai parodyti 4(a) pav. Kaip pastebėta, MoO3 katodas (apie 1,1 μm storio) ir Li anodas yra gerai atskirti LiSiON elektrolitu, o LiSiON elektrolitas turi tvirtas kontaktines sąsajas tiek su katodu, tiek su anodu. 4(b) pav. rodoma tipinė TFLB CV kreivė, kai skenavimo dažnis yra 0,1 mV∙s-1 tarp 1.5-3.5 V, o tai rodo porą gerai apibrėžtų redokso smailių. maždaug 2,25 ir 2,65 V įtampa, atitinkanti ličio jonų įterpimą į MoO3 ir ištraukimą iš jo^[10]. 4(c) pav. pavaizduotos 3 pradinės TFLB galvanostatinės įkrovos/iškrovimo kreivės, kai srovės tankis yra 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2, remiantis MoO3 plėvelės mase ). Kaip pastebėta, TFLB suteikia pradinę 145/297 mAh∙g-1 (58/118,8 μAh∙cm-2) įkrovimo / iškrovimo talpą. Po antrojo ciklo TFLB pasiekė pastovų važiavimą dviračiu ir didelę grįžtamąją savitąją talpą – 282 mAh∙g{16}}. TFLB spartos veikimas esant įvairiems srovės tankiams pavaizduotas 4 pav. (d). Negrįžtamas TFLB talpos praradimas per pradinius kelis ciklus esant mažam srovės tankiui gali būti siejamas su negrįžtamu fazės perėjimu MoO3, gautu įterpus ličio.^[26]. Stabilios iškrovos talpos yra maždaug 219, 173, 107 ir 50 mAh∙g-1, atitinkamai esant 100, 200, 400 ir 800 mA∙g-1, o tai rodo gerą spartos pajėgumą. Norint įvertinti TFLB elektrocheminį stabilumą, ciklas toliau buvo atliktas esant 200 mA∙g{11}} srovės tankiui (4 pav. (e)). Po 200 ciklų TFLB gali išlaikyti 78,1% pradinės iškrovos talpos, o kuloninis efektyvumas yra beveik 100% kiekvienam ciklui, o tai rodo priimtiną LiSiON elektrolito elektrocheminį stabilumą. EIS matavimai buvo toliau atliekami esant atviros grandinės įtampai, siekiant ištirti elektrolito/elektrodo sąsają TFLB esant skirtingiems ciklo skaičiams, o atitinkami Nyquist sklypai su lygiaverte grandine yra pavaizduoti 4 pav. (f). Kaip pastebėta, MoO3 / LiSiON / Li TFLB rodo panašų EIS spektrą, kurį sudaro du puslankiai aukšto dažnio srityje šviežioje būsenoje, kaip ir MoO3 / LiPON / Li TFLB ankstesniame darbe.^[10], rodantis, kad Li / LiSiON sąsajos atsparumas yra nereikšmingas, palyginti su LiSiON / MoO3 sąsajos atsparumu.^[20]. Pirmasis mažas puslankis Nyquist diagramose yra priskiriamas Li+ jonų joniniam laidumui LiSiON elektrolite, o antrasis didelis puslankis atitinka krūvio perdavimo procesą LiSiON/MoO3 sąsajoje.^[27,28]. Pažymima, kad pirmasis mažas puslankis ciklų metu keičiasi retai, o tai rodo gana gerą LiSiON elektrolito ciklinį stabilumą. Tačiau, keičiantis ciklo skaičiui, antrasis puslankis palaipsniui plečiasi, parodydamas padidėjusį LiSiON/MoO3 sąsajos pasipriešinimą važiuojant dviračiu, o tai gali būti pagrindinė TFLB talpos nykimo priežastis.^[29]. Verta paminėti, kad šiame darbe sėkmingai naudojamas LiSiON elektrolitas, kad būtų galima konstruoti TFLB, ir pirmą kartą parodo gerą LiSiON sąsają su MoO3 katodu ir ličio anodu. Be to, didelė specifinė talpa, geras greitis ir priimtinas MoO3 / LiSiON / Li TFLB ciklo veikimas rodo, kad LiSiON plona plėvelė puikiai tinka kaip TFLB elektrolitas.

4 pav. (a) MoO3/LiSiON/Li TFLB skerspjūvio FESEM vaizdas ir atitinkami EDS atvaizdai; (b) tipinė CV kreivė, (c) pradinės trys įkrovimo / iškrovimo kreivės, (d) greičio našumas, (e) ciklo našumas ir (f) EIS spektrai esant skirtingiems MoO3/LiSiON/Li TFLB ciklo numeriams su LiSiON pavyzdžiu. -100N9A1 kaip elektrolitas

3 Išvados

Apibendrinant galima teigti, kad amorfinis LiSiON plonasluoksnis elektrolitas buvo sėkmingai paruoštas RF magnetroniniu purškimu naudojant Li2SiO3 taikinį su N2/Ar dujų srautu. Optimizuota LiSiON plona plėvelė, nusodinta esant 100 W RF galiai, kai srautas yra 90 sccm N2 ir 10 sccm Ar, turi lygų paviršių, tankią struktūrą, didelį jonų laidumą (6,3 × 10-6 S∙cm-1) , ir platus įtampos langas (5 V), todėl tai yra perspektyvi TFLB elektrolito medžiaga. Dar svarbiau tai, kad naudojant LiSiON elektrolitą pirmą kartą buvo sėkmingai pademonstruotas MoO3/LiSiON/Li TFLB, turintis didelę specifinę talpą (282 mAh∙g{14}} esant 50 mA∙g-1), geras. spartos našumas (50 mAh∙g-1 esant 800 mA∙g-1) ir priimtinas ciklo stabilumas (78,1 % talpos išlaikymas po 200 ciklų). Tikimasi, kad šis darbas suteiks naujų galimybių sukurti aukštos kokybės TFLB naudojant Li2O-SiO2 pagrindo plonasluoksnį elektrolitą.

Nuorodos

[1] MOITZHEIM S, PUT B, VEREECKEN P M. 3D plonasluoksnės ličio jonų baterijos. Išplėstinės medžiagų sąsajos, 2019,6(15):1900805.
[2] XIA Q, ZHANG Q, SUN S ir kt. Tunelinės LixMnO2 nanolakštų matricos kaip 3D katodas, skirtos didelio našumo kietojo kūno plonasluoksnėms ličio mikrobaterijoms. Išplėstinės medžiagos, 2021,33(5):2003524.
[3] DENG Y, EAMES C, FLEUTOT B ir kt. Ličio jonų laidumo didinimas ličio superjoninio laidininko (LISICON) kietuose elektrolituose, naudojant mišrų polianijonų efektą. ACS taikomosios medžiagos ir sąsajos, 2017, 9 (8):7050-7058.
[4] BATES JB, DUDNEY NJ, GRUZALSKI GR ir kt. Amorfinių ličio elektrolito plonų plėvelių ir įkraunamų plonasluoksnių baterijų gamyba ir apibūdinimas. Maitinimo šaltinių žurnalas, 1993, 43 (1/2/3):103-110.
[5] BATES J. Amorfinio ličio elektrolito plonų plėvelių elektrinės savybės. Solid State Ionics, 1992, 53(56):647-654.
[6] FAMPRIKIS T, GALIPAUD J, CLEMENS O ir kt. Kietojo kūno akumuliatorių LiSiPO (N) plonasluoksnių elektrolitų jonų laidumo priklausomybė nuo sudėties. ACS Applied Energy Materials, 2019, 2(7):4782-4791.
[7] DENG Y, EAMES C, CHOTARD JN ir kt. Struktūrinės ir mechaninės įžvalgos apie greitą ličio jonų laidumą Li4SiO4- Li3PO4 kietuosiuose elektrolituose. Amerikos chemijos draugijos žurnalas, 2015, 137 (28):9136-9145.
[8] CHEN R, SONG X. Li4+xMxSi1-xO4-yLi2O (M=Al, B) sistemų kietųjų elektrolitų joninis laidumas. Kinijos chemijos draugijos žurnalas, 2002, 49:7-10.
[9] ADNAN S, MOHAMED N S. Sn pakeitimo poveikis Li4SiO4 keraminio elektrolito savybėms. Solid State Ionics, 2014, 262:559-562.
[10] SUN S, XIA Q, LIU J ir kt. Savarankiškai stovinčios deguonies trūkumo -MoO3-x nanodribsnių matricos kaip 3D katodas pažangioms kietojo kūno plonasluoksnėms ličio baterijoms. Materiomics žurnalas, 2019, 5(2):229-236.
[11] DING W, LU W, DENG X ir kt. XPS tyrimas apie SiNx plėvelės struktūrą, nusodintą mikrobangų ECR magnetroniniu purškimu. Acta Physica Sinica, 2009, 58(6):4109-4116.
[12] KIM H, KIM Y. Dalinis Li4SiO4 nitridavimas ir Li4 joninis laidumas. 1SiO3. 9N0. 1Ceramics International, 2018, 44(8):9058-9062.
[13] MARIKO M, HIDEMASA K, TOMOYUKI O ir kt. Ličio jonų akumuliatorių SiO anodų analizė. The Electrochemical Society žurnalas, 2005, 152(10):A2089.
[14] FINGERLE M, BUCHHEIT R, SICOLO S ir kt. Reakcija ir erdvės krūvio sluoksnių formavimas LiCoO2-LiPON sąsajoje: įžvalgos apie defektų susidarymą ir jonų energijos lygio derinimą taikant kombinuotą paviršiaus mokslo ir modeliavimo metodą. Chemisty Materials, 2017, 29(18):7675-7685.
[15] WEST W, HOOD Z, ADHIKARI S ir kt. Krūvio perdavimo varžos mažinimas kietojo elektrolito ir elektrodo sąsajoje impulsiniu lazeriu nusodinant plėveles iš kristalinio Li2PO2N šaltinio. Energijos šaltinių žurnalas, 2016, 312:116-122.
[16] SICOLO S, FINGERLE M, HAUSBRAND R ir kt. Amorfinio LiPON sąsajos nestabilumas prieš litį: kombinuota tankio funkcinė teorija ir spektroskopinis tyrimas. Energijos šaltinių žurnalas, 2017, 354:124-133.
[17] WU F, LIU Y, CHEN R ir kt. Naujo Li-Ti-Si-PON plonasluoksnio elektrolito, skirto plonasluoksnėms ličio baterijoms, paruošimas ir veikimas. Energijos šaltinių žurnalas, 2009, 189(1):467-470.
[18] PUT B, VEREECKEN M, MEERSSCHAUT J ir kt. Itin plonų RF purškiamų LiPON sluoksnių nanoskalės baterijų elektrinis apibūdinimas. ACS taikomosios medžiagos ir sąsajos, 2016, 8 (11):7060-7069.
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Li+ laidumas Li-Nb-O plėvelėse, nusodintose Sol-Gel metodu. Solid State Ionics, 2016, 285:13-18.
[20] SONG S, LEE K, PARK H. Didelio našumo lanksčios kietojo kūno mikrobaterijos, kurių pagrindą sudaro kietas ličio boro oksinitrido elektrolitas. Energijos šaltinių žurnalas, 2016, 328:311-317.
[21] OHTSUKA H, OKADA S, YAMAKI J. Kietojo kūno akumuliatorius su Li2O-V2O5-SiO2 kieto elektrolito plona plėvele. Solid State Ionics, 1990, 40-41:964-966.
[22] Kalita D, Lee S, Lee K ir kt. Amorfinio Li-La-Zr-O kieto elektrolito joninio laidumo savybės plonasluoksniams akumuliatoriams. Solid State Ionics, 2012, 229:14-19.
[23] SAKURAI Y, SAKUDA A, HAYASHI A ir kt. Amorfinių Li4SiO4-Li3PO4 plonų plėvelių paruošimas impulsiniu lazeriu nusodinant visiškai kietojo kūno ličio antrines baterijas. Solid State Ionics, 2011, 182:59-63.
[24] TAN G, WU F, LI L ir kt. Magnetroninis purškimas iš azoto įterptų ličio-aliuminio-titano fosfato plonasluoksnių elektrolitų, skirtų kietojo kūno ličio jonų baterijoms. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116 (5):3817-3826.
[25] YU X, BATES JB, JELLISON G ir kt. Stabilus plonasluoksnis ličio elektrolitas: ličio fosforo oksinitridas. Journal of The Electrochemical Society, 1997, 144(2):524.
[26] KIM H, COOK J, LIN H ir kt. Deguonies laisvos vietos pagerina MoO3-x pseudocapacityvinio krūvio saugojimo savybes. Gamtos medžiagos, 2017, 16:454-460.
[27] SONG H, WANG S, SONG X ir kt. Saulės energija varomos kietojo kūno ličio-oro baterijos, veikiančios itin žemoje temperatūroje. Energetika ir aplinkos mokslas, 2020, 13(4):1205-1211.
[28] WANG Z, LEE J, XIN H ir kt. Katodinio elektrolito sąsajos (CEI) sluoksnio poveikis ilgalaikiam visų kietojo kūno plonasluoksnių baterijų ciklui. Energijos šaltinių žurnalas, 2016, 324:342-348.
[29] QIAO Y, DENG H, HE P ir kt. 500 Wh/kg ličio metalo elementas, pagrįstas anijoniniu redoksu. Džaulis, 2020, 4(6):1311-1323.