薄膜锂离子电池Cu-Sn负极与LiPON电解质薄膜的制备及性能研究

摘要

锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长等优点，在移动通信、微机械电子、生物医学工程等领域具有重要的应用价值。
　　 本文采用电子束蒸发沉积法制备了Cu-Sn合金负极薄膜，并对其进行了退火处理。实验结果表明：通过对Cu/Sn薄膜表面进行镀Cu改性，能够显著提高Cu-Sn薄膜电极的循环性能。因为Cu/Sn/Cu薄膜的部分Sn会与Cu合金化生成Cu6Sn5相，增强了薄膜中活性物质Sn与Cu基体间的结合力，从而有效减缓充放电反应过程中的体积膨胀效应，较大幅度地提高了电极的循环性能。并且Cu-Sn薄膜在首次放电过程中没有观察到不规则的不可逆放电平台和SEI膜的形成。
　　 经185℃保温10小时退火处理后，Cu-Sn薄膜中的Sn与Cu完全合金化，生成Cu6Sn5和Cu3 Sn合金相。由于合金相增强了Cu-Sn膜层之间的结合强度，避免了Cu-Sn薄膜在循环过程中过早粉化破坏，经过50个循环之后，其放电容量、库伦效率保持良好，循环稳定性得到很大提高。
　　 本文还采用射频磁控溅射法，利用粉末冶金法烧结的Li3PO4靶材制备了LiPON固体电解质薄膜，实验结果表明：只有直流磁控溅射法制备的Al集流体薄膜与LiPON薄膜构成的Al/LiPON/AI“三明治”结构，可以测试出LiPON的真实阻抗值，适合做为LiPON薄膜的集流体使用。主要原因是直流磁控溅射法制备的Al集流体薄膜表面具有最佳的形核生长条件，利于LiPON生长，从而使Al衬底与LiPON薄膜间具有最高的结合强度。
　　 在Al薄膜集流体上制备的LiPON固体电解质薄膜主要成分均为非晶态LiPON，薄膜表面致密，没有明显的裂纹和针孔等缺陷存在。N元素进入LiPON薄膜内部，与P分别形成P-N

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 锂离子电池

1.2 薄膜锂离子电池

1.2.1 锂离子电池负极材料研究进展

1.2.2 锂离子电池固态电解质研究进展

1.3 本课题的研究目标、意义及主要内容

1.3.1 研究目标及意义

1.3.2 研究内容

第二章 实验方法与实验设备

2.1 薄膜制备方法与实验设备

2.1.1 电子束蒸发镀膜

2.1.2 磁控溅射镀膜

2.2 薄膜结构与性能分析方法

2.2.1 X射线衍射(XRD)分析

2.2.2 扫描电镜(SEM)分析

2.2.3 差示扫描量热(DSC)分析

2.2.4 微米划痕测试

2.2.5 X射线光电子能谱(XPS)分析

2.2.6 电化学性能测试

第三章 电子束蒸发沉积制备Cu—Sn负极薄膜

3.1 Cu—Sn薄膜电极的制备

3.1.1 电子束蒸发沉积

3.1.2 真空退火处理

3.2 Cu—Sn薄膜的结构与形貌分析

3.2.1 Cu—Sn薄膜的XRD分析

3.2.2 Cu—Sn薄膜的SEM分析

3.3 Cu—Sn薄膜的电化学性能分析

3.3.1 未经退火的Cu/Sn和Cu/Sn/Cu薄膜的电化学性能测试

3.3.2 退火后Cu/Sn和Cu/Sn/Cu薄膜的电化学性能测试

3.4 本章小结

第四章 磁控溅射LiPON薄膜靶材的制备与集流体的选择

4.1 磁控溅射Li3PO4靶材的制备

4.2 磁控溅射制备LiPON薄膜工艺简述

4.3 集流体对LiPON薄膜的影响

4.3.1 采用Cu薄膜作为集流体

4.3.2 采用Al薄膜作为集流体

4.3.3 Cu、Al薄膜与LiPON薄膜结合力比较

4.4 本章小结

第五章 磁控溅射工艺对LiPON电解质薄膜制备与性能的影响

5.1 工作气压对LiPON薄膜制备与性能的影响

5.1.1 薄膜制备

5.1.2 LiPON薄膜的结构与形貌分析

5.1.3 锂离子导电率的测定

5.2 溅射功率对LiPON薄膜制备与性能的影响

5.2.1 薄膜制备

5.2.2 LiPON薄膜的结构与形貌分析

5.2.3 锂离子导电率的测定

5.3 本章小结

全文总结与工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢