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物理气相沉积法制备全固态薄膜锂离子电池正极材料LiCoO_2

陈国光  
【摘要】: 随着电子器件不断的微型化,加之微电子机械系统(Micro-Electronic Mechanical Systems, MEMS)技术发展的需要,常规电池组成的能源供应系统普遍比其要支持的微型系统大,因此全固态薄膜锂离子电池的研究日益为人们所重视。锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。而正极材料的开发是制约锂离子电池性能进一步提高的重要因素。 尽管本文则选择了目前研究较为成熟,并且已经投入商业化运作的正极材料LiCoO2作为研究对象,但是该材料在作为全固态薄膜电池的正极材料应用时,即在充当薄膜电极时,依然有值得研究的方面。影响薄膜电性能的因素是多方面的,本文对其中之一因素——LiCoO2薄膜的微结构进行了一系列的研究。分别采用脉冲激光沉积法(Pulse Laser Deposition-PLD)技术和射频磁控(Radio Frequency-RF)溅射两种物理气相沉积法在不同的基片上生长LiCoO2薄膜,并对其结构进行表征测试。 本文针对全固态薄膜锂离子电池的正极材料LiCoO2薄膜的性能要求,分别对PLD以及RF工艺参数进行优化,从而得到结晶度良好,择优取向明显的LiCoO2薄膜。主要结果如下: 优化PLD工艺参数,分别在Si基片上、Au基片上以及SS (Stainless steel)基片上沉积出结晶性良好呈现(003)、(104)择优以及随机取向的LiCoO2薄膜。优化RF工艺参数,首先在Si基片上获得了结晶性良好的(003)择优取向的LiCoO2薄膜,而后发现其XRD峰强一直无法提高,后改用Au基片,生长出了具有明显(104)择优取向的LiCoO2薄膜。从而得出PLD比较容易沉积出c-axis择优的LiCoO2薄膜,而RF则比较容易得到a-axis择优的LiCoO2薄膜。 在手套箱中将样品组装成原理电池,而后进行恒流循环充放电测试、循环伏安法等一系列的电性能测试,得到了使用PLD法沉积在SS基片上的,首次放电容量为111.9mAh/g(81.7%理论容量值),在10次充放电循环中,容量衰减度为1.80%/cycle的LiCoO2薄膜样品;以及使用RF法沉积在Al基片上的,首次放电容量为128.5mAh/g(93.8%理论容量值),在10次充放电循环中,容量衰减度为0.35%/cycle的LiCoO2薄膜样品。


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