用于全固態(tài)鋰離子電池的無機電解質(zhì)薄膜LiPON的制備與性能研究.pdf

1、隨著新型高效能量轉(zhuǎn)換與儲存技術(shù)的迅速發(fā)展，鋰離子電池因其能量密度高、循環(huán)壽命長、安全性能良好而被廣泛商業(yè)化。此外，高效能、易攜帶、環(huán)境友好成為人們追逐的目標(biāo)。因此，全固態(tài)薄膜鋰離子電池近年來引起許多國家重視。國內(nèi)外已經(jīng)報道了許多固態(tài)薄膜鋰電的電池材料，電解質(zhì)材料的研究明顯少于電極材料，限制了薄膜鋰離子電池的商業(yè)化步伐。而電解質(zhì)薄膜的機械性質(zhì)對評價電池性能有重要意義，因此，對電解質(zhì)薄膜的進(jìn)一步研究就尤為重要。
　　本文選擇了電解質(zhì)薄

2、膜鋰磷氧氮(LiPON)作為研究對象，利用離子束輔助沉積方法在Si基底上沉積制備LiPON固態(tài)電解質(zhì)薄膜。利用X射線衍射(XRD)和掃描隧道顯微鏡(SEM)研究薄膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，用納米壓痕儀來測試薄膜的硬度及彈性模量，用X射線光電子能譜(XPS)來研究N的引入對膜內(nèi)的化學(xué)鍵的影響，根據(jù)XP-2儀的曲線計算電解質(zhì)薄膜生長過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。此外，利用電化學(xué)工作站描繪LiPON的阻抗曲線，探究N的引入對電解質(zhì)薄膜的離子電導(dǎo)率的影響。對N2/

3、Ar流量比、束流強度對LiPON電解質(zhì)薄膜機械性質(zhì)和電化學(xué)性能方面的影響進(jìn)行了討論。同時，我們也研究了N和Si的引入對電解質(zhì)薄膜的離子電導(dǎo)率的影響。
　　機械性能的改變與LiPON薄膜中的氮含量有關(guān)。隨著N2/Ar流量比增大，硬度和彈性模量先增后減，殘余應(yīng)力先減后增。當(dāng)N2/Ar流量比為1∶8時，鋰離子電導(dǎo)率達(dá)到最大值，這時硬度和彈性模量均達(dá)最大，分別為為6.8 GPa和147.2GPa。當(dāng)通入混合氣體的束流強度改變時，機械性能隨

4、薄膜中含氮量變化而改變。當(dāng)束流強度為18mA時，硬度和彈性模量達(dá)最大，此時，薄膜中N/P約為1，離子電導(dǎo)率達(dá)最大。機械性能與電化學(xué)性質(zhì)均表現(xiàn)良好。以上結(jié)果表明，在一定條件下，N的摻入有利于在薄膜中形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而提高薄膜硬度及Nt/Nd。薄膜組成及力學(xué)性能的改變影響其離子電導(dǎo)率的變化。在一定優(yōu)選的工藝條件下，可以得到離子電導(dǎo)率較高及機械性能較好的電解質(zhì)薄膜。
　　為了進(jìn)一步研究LiPON對鋰離子電池電化學(xué)性能的影響，將LiPON