用于薄膜微电池的固态薄膜电解质和正极材料的制备和性能研究

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1、摘要摘要微电动机械系统(MEMS)、高速大容量计算机芯片、植入式医疗器件以及智能卡等的发展，要求可集成、高能量密度、可充电的新型能量载体。相比较于传统的电池，薄膜电池在能量密度上更具有优势，而且抗震抗摔抗高温，没有液态电解液的污染，可以很方便的利用现有的半导体工艺集成到芯片中去，因而近年来受到许多国家的重视。本论文采用磁控溅射的方法以0．5Li3P04．0．5Li2Si03为靶材，在N2气氛中制备了固态电解质LiSiPON薄膜。N的引入提高了体系的离子电导率，随着工作气压的增加，电解质薄膜中的N

2、含量和离子电导率同步的增加，在溅射功率130W、N2气压为0．5Pa时，离子电导率达到1．27x10～S／cm。本论文中制各的LiSiPON薄膜有非常好的电化学稳定窗口，可以稳定持久的工作于薄膜微电池中。本论文还研究了磁控溅射制备非晶结构的(“n5L孤5)Ti03(LLTO)电解质薄膜。当沉积温度升高时离子电导率也相应的获得提高。在沉积温度为400-。C时，LLTO电解质薄膜的离子电导率达到了8．7×10～S／cm，是一种很有潜力的应用于全固态薄膜锂离子电池的电解质材料。本论文还对磁控溅射制各的

3、LiC002薄膜正极材料的电化学性质进行了研究。提高溅射功率和施加偏压有助于提高LiCoO：薄膜正极材料的容量密度和循环性能，功率的增加使得LiC002薄膜(101)和(104)方向的晶化程度加大，在溅射功率为200W的时候，放电过程的容量密度达到了47#Ah／cm2／．tm，并且在循环50个周期后容量只衰减了20％。增加偏压可以增大初始放电容量密度，当偏压为一90V时，放电容量密度达到55。uAh／cm2pm。增加偏压显著改善了LiC002正极’薄膜的循环性能，在偏压为一90V的时候循环50个

4、周期后容量只衰减了23％，显示了良好的循环性能。关键词：薄膜电池，锂离子电池，固态电解质，正极材料，电化学性能AbstraclSynthesisandCharacterizationofSolidStateThinFilmElectrolyteandCathodeMaterialsforThinFilm‘MicrobatteryAbstractTheprogressinmicro—electro=mechanicalsystems(MEMS)，chipindustry，plantablemedi

5、calapparatusandsmartcardsrequiresamicro—scale，hi曲energydensity，andrechargeablenewpowersupply．Comparedtotraditionalbatteries，thinfilmmicrobatteriesarepromisingalternativemicropowersourcesbecauseoftheirhighenergydensity，goodcellperformances，andnocontam

6、inationofliquidelectrolytes．TheyareeasytobeintegratedintochipsviaVLSItechnologyandthusattractedlotofattentiontheseyears．Nitrogenincorporatedlithiumsilicophosphate(LISIPON)solidstatethinfilmelectrolytesarefabricatedusingmagnetronsputteringfroma0．5Li3P

7、04—0．5Li2Si03targetinnitrogenreactiveplasma．TheincorporationofNincreasestheionicconductivity．Withincreaseofthesputteringpressure，theNcontentandionicconductivityincreasecorrespondingly．TheionicconductivityofLiSiPONthinfilmelectrolytereaches1．27x10。S／c

8、mwhenthesputteringpoweris130WatO．5Pa．ThedecompositionpotentialtestshowsthatLiSiPONthinfilmhasgoodelectrochemistrystabilityandcanworkinthinfilmmicrobatteriessteadilyanddurably．(Li0．sLao．5)Ti03(LLTO)thinfilmelectrolytesforthinfilmmicrobatte!iesareprepa