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、為了應對日益嚴峻的全球溫室效應和化石燃料資源枯竭問題帶來的挑戰(zhàn)，加快實現能量的高效轉換和存儲是一種必然趨勢，而決定其成敗與否的關鍵是新材料的研發(fā)。鋰離子電池由于能夠較好實現化學能與電能之間的轉換，作為一種新型化學電源得到了快速發(fā)展。另一方面，日漸輕巧的便攜式電子產品、微型電子制品正在驅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，重點對全固態(tài)薄膜鋰離子電池中的固態(tài)無機電解質薄膜和Sn-Ti合金負極薄膜展開了研究。
　

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

3、程中有關技術參數對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驗室高溫燒結而成的Li3PO4靶材成功的制備了LiPON薄膜，初步測試結果表明其性能良好，離子電導率和離子遷移數分別為1.2×10-6S/cm、0.9944。
　　將金屬Sn合金化被認為是提高Sn基材料電化學性能的一個可能途徑。鑒于金屬Ti的特殊性質，我們采用直流磁控濺射技術在交替濺射和共濺射兩種模式下分別制備了不同結構的Sn-Ti復合材料薄膜電極，

4、較系統(tǒng)地研究了薄膜結構、電極形貌、材料結晶狀態(tài)與電化學性能之間的關系。
　　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電化學行為的影響。對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Ti/Sn薄膜，首先沉積Ti層，再沉積Sn層，發(fā)現Sn層出現了明顯的擇優(yōu)取向，且顆粒表面光滑、

5、尺寸達到500nm量級，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層的層數至4、8。發(fā)現隨著層數增多，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復合膜，所制備的薄膜結晶性良好，形貌兼具純Sn和Ti襯底上鍍Sn(Ti/Sn膜)的特點，具有典型的金屬Sn的電化學性能，推斷可能是由于Ti的沉積速度只有Sn的1/8，