Amorf LiSiON İnce Film Elektrolit

Yazar:XIA Qiuying% 2c GÜNEŞ Shuo% 2c ZAN Feng% 2c XU Jing% 2c XIA Hui

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu, Nanjing Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 210094, Çin

Soyut

Tamamen katı hal ince film lityum pil (TFLB), mikroelektronik cihazlar için ideal güç kaynağı olarak kabul edilir. Bununla birlikte, amorf katı hal elektrolitinin nispeten düşük iyonik iletkenliği, TFLB'nin elektrokimyasal performansının gelişimini sınırlar. Bu çalışmada, TFLB için katı hal elektroliti olarak magnetron püskürtme yöntemiyle amorf lityum silikon oksinitrid (LiSiON) ince filmler hazırlandı. Optimize edilmiş biriktirme koşuluyla LiSiON ince film, oda sıcaklığında 6,3×10-6 S∙cm-1'lik yüksek iyonik iletkenlik ve 5 V'un üzerinde geniş bir voltaj penceresi sergiler, bu da onu uygun bir ince film elektroliti haline getirir. TFLB. Bir MoO3/LiSiON/Li TFLB, büyük spesifik kapasiteye (50 mA∙g-1'de 282 mAh∙g-1), iyi hız kapasitesine (50 mAh∙g) sahip LiSiON ince film elektroliti temel alınarak inşa edilmiştir. 800 mA∙g-1'de -1 ve kabul edilebilir döngü ömrü (200 döngüden sonra %78,1 kapasite tutma), bu elektrolitin pratik uygulamalar için uygunluğunu gösterir.

Anahtar Kelimeler:LiSiON; ince film elektroliti; tamamen katı hal lityum pil; ince film pil

Mikro-elektromekanik sistemler (MEMS), mikro sensörler, akıllı kartlar ve vücuda yerleştirilebilir mikro tıbbi cihazlar gibi mikroelektronik endüstrisinin hızlı gelişimi, entegre mikro boyutlu enerji depolamaya yönelik talebin artmasına yol açmaktadır.^[1,2]. Mevcut pil teknolojileri arasında tamamen katı hal ince film lityum pil (TFLB), yüksek güvenliği, küçük boyutu, çip üzerinde güç tasarımı, uzun çevrim ömrü ve düşük maliyeti nedeniyle mikroelektronik cihazlar için ideal güç kaynağı olarak kabul edilir. kendi kendine deşarj oranı. TFLB'deki temel bileşenlerden biri olan katı hal ince film elektroliti, TFLB'nin özelliklerinin belirlenmesinde hayati bir rol oynar.^[3]. Bu nedenle, yüksek performanslı katı hal ince film elektrolitinin geliştirilmesi, TFLB'nin geliştirilmesi için her zaman önemli bir hedeftir. Şu anda, TFLB'de en yaygın olarak kullanılan elektrolit, orta derecede iyonik iletkenliğe (2×10-6 S∙cm-1), düşük elektronik iletkenliğe (~{{5) sahip olan amorf lityum fosfor oksinitrürdür (LiPON). }} S∙cm-1), geniş voltaj penceresi (~5,5 V) ve lityum ile iyi temas kararlılığı^[4,5]. Bununla birlikte, iyonik iletkenliği nispeten düşüktür ve bu da Nesnelerin İnterneti'nin (IoT) yaklaşmakta olan dönemi için yüksek güçlü TFLB'nin gelecekteki gelişimini engellemektedir.^[6]. Bu nedenle, yeni nesil TFLB için lityum ile iyi temas stabilitesinin yanı sıra artan iyonik iletkenliğe sahip yeni ince film elektrolitlerin geliştirilmesi acildir.

Çeşitli inorganik katı hal elektrolit malzemeleri arasında Li2O-SiO2 katı çözelti sistemi ve bunların döterojenik fazları, hızlı üç boyutlu lityum iletim kanalları nedeniyle potansiyel ince film elektrolitleri olarak tanımlandı.^[7]. Örneğin Chen ve diğerleri.^[8]Al ikameli Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O katı elektrolitin 5,4×10-3 S∙cm{{12} gibi yüksek bir iyonik iletkenliğe sahip olduğunu bildirdi } 200 derecede. Adnan ve ark.^[9] Li4Sn0.02Si0.98O4 bileşiğinin ortam sıcaklığında maksimum 3,07×10-5 S∙cm-1 iletkenlik değerine sahip olduğunu buldu. Bununla birlikte, Li2O-SiO2 elektrolit sistemleri üzerine yapılan önceki çalışmalar çoğunlukla yüksek kristalliliğe sahip toz malzemelere odaklanmışken, bunların TFLB için amorf ince film muadilleri üzerine çok sınırlı çalışma rapor edilmiştir. TFLB tipik olarak katot, elektrolit ve anottan oluşan ince filmlerin katman katman biriktirilmesiyle oluşturulduğundan, katot ve elektrolit arasındaki çatlak ve kısa devreyle sonuçlanan olumsuz etkileşimleri önlemek için elektrolit filmin nispeten düşük sıcaklıkta hazırlanması gerekir. TFLB^[1,2]. Bu nedenle düşük sıcaklıkta hazırlanan amorf özelliğe sahip Li2O-SiO2 elektrolitinin geliştirilmesi TFLB için önemlidir. Her ne kadar son çalışmalar^[6] amorf Li-Si-PON ince film ile 2,06×10-5 S∙cm-1'lik yüksek bir lityum iyon iletkenliğinin elde edilebileceğini, elektrotlarla temas stabilitesinin ve TFLB'deki elektrokimyasal stabilitenin henüz belirlenmediğini göstermektedir araştırılacak. Bu nedenle, yüksek performanslı Li2O-SiO2 bazlı ince film elektrolitinin geliştirilmesi ve bunun TFLB'deki gerçek uygulamasının gösterilmesi kritik önem taşımaktadır.

Bu çalışmada, oda sıcaklığında radyo frekansı (RF) magnetron püskürtme yöntemiyle amorf lityum silikon oksinitrür (LiSiON) ince filmi hazırlandı ve TFLB için katı hal elektroliti olarak araştırıldı. Püskürtme gücü ve N2/Ar çalışma gazının akışı, LiSiON ince filmi için en iyi biriktirme koşulunu elde etmek üzere optimize edildi. Ayrıca, optimize edilmiş LiSiON elektrolitinin TFLB için uygulanabilirliğini göstermek amacıyla bir MoO3/LiSiON/Li tam hücre inşa edildi ve elektrokimyasal performansı sistematik olarak araştırıldı.

1 Deneysel

1.1 LiSiON ince filmlerinin hazırlanması

LiSiON ince filmleri, oda sıcaklığında 12 saat boyunca bir Li2SiO3 hedefi (76,2 mm çapında) kullanılarak RF magnetron püskürtme (Kurt J. Lesker) yoluyla hazırlandı. Biriktirmeden önce odanın basıncı 1x10-5 Pa'nın altına düşürüldü. Hedeften alt tabakaya olan mesafe 10 cm idi. 90 sccm N2 akışında 80, 100 ve 120 W RF gücü altında biriktirilen numuneler, numune LiSiON-80N9, LiSiON-100N9 ve LiSiON-120N9 olarak işaretlenir, sırasıyla. Ve 90 sccm N2 ve 10 sccm Ar, 90 sccm N2 ve 50 sccm Ar, 50 sccm N2 ve 50 sccm Ar akışında 100 W RF gücü altında biriktirilen numuneler, örnek LiSiON- 100N9A1, LiSiON olarak işaretlenmiştir. Sırasıyla -100N9A5 ve LiSiON-100N5A5.

1.2 MoO3/LiSiON/Li TFLB'nin Hazırlanması

MoO3 filmi, önceki raporumuza göre saf metal Mo hedefi (76,2 mm çapında) kullanılarak doğru akım (DC) reaktif magnetron püskürtme (Kurt J. Lesker) yoluyla hazırlandı.^[10]. Hedeften substrata olan mesafe 10 cm ve DC püskürtme gücü 60 W idi. Biriktirme, 100 derecelik substrat sıcaklığında 40 sccm Ar ve 10 sccm O2 akışında 4 saat boyunca yerinde tavlama ile gerçekleştirildi. 1 saat boyunca 450 derecede tedavi. LiSiON-100N9A1 daha sonra elektrolit olarak MoO3 filmi üzerinde biriktirildi. Bundan sonra, vakumlu termal buharlaştırma yoluyla LiSiON filminin üzerine yaklaşık 2 μm kalınlığında metalik bir lityum film çöktürüldü (Kurt J. Lesker). Son imalat adımı, Cu akım toplayıcının biriktirilmesini ve kapsülleme sürecini içeriyordu.

1.3 Malzeme karakterizasyonu

Numunelerin kristal yapıları X-ışını kırınımı (XRD, Bruker D8 Advance) ile karakterize edildi. Numunelerin morfolojileri ve mikro yapıları, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile donatılmış alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FESEM, FEI Quanta 250F) ile karakterize edildi. Numunelerin elementel bileşimleri, indüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICP-MS, Agilent 7700X) ile analiz edildi. Numunelerin kimyasal bileşimi ve bağlanma bilgileri X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS, Escalab 250XI, Thermo Scientific) ile ölçülmüştür.

1.4 Elektrokimyasal ölçümler

LiSiON ince film elektrolitinin iyonik iletkenliği, Pt/LiSiON/Pt'nin sandviçlenmiş yapısı kullanılarak ölçüldü. Numunelerin elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) (1000 kHz'den 0,1 Hz'ye, 5 mV potansiyel genliği ile) ve döngüsel voltametri (CV) ölçümleri Biologic VMP3 elektrokimyasal cihaz üzerinde gerçekleştirildi. iş istasyonu. MoO3/LiSiON/Li TFLB'nin galvanostatik şarj/deşarj (GCD) ölçümü, oda sıcaklığında argonla doldurulmuş bir torpido gözünde Neware BTS4000 pil sistemi kullanılarak gerçekleştirildi. Elektrot kütle yükünü belirlemek için bir Sartorius Analitik Terazisi (CPA225D, 10 ug çözünürlüklü) kullanıldı ve MoO3 filminin kütle yükü yaklaşık 0,4 mg∙cm-2'dir.

2 Sonuçlar ve tartışma

Şekil 1(a)'ya eklenen optik görüntüde gösterildiği gibi, LiSiON ince film hazırlamak için bir Li2SiO3 hedefi kullanıldı. Şekil 1(a)'daki XRD sonucu, hedefin majör Li2SiO3 (JCPDS 83-1517) fazı ve minör SiO2 fazından oluştuğunu ortaya koymaktadır. ICP-MS ölçümü hedefte Li:Si atom oranının yaklaşık 1,79:1 olduğunu gösterir. Hedefin püskürtülmesinden sonra tipik LiSiON-100N9A1 örneği için şeffaf amorf ince film elde edildi (Şekil 1(b)). Şekil 1(c)'deki FESEM kesit görüntüsünden ölçülen tipik LiSiON-100N9A1 örneğinin kalınlığı yaklaşık 1,2 μm'dir ve bu değer altında yaklaşık 100 nm∙h-1'lik bir büyüme oranına işaret eder. durum. Şekil 1(d)'deki üstten görünüşlü FESEM görüntüsünde gösterildiği gibi, LiSiON ince filmin yüzeyi çok pürüzsüz ve çatlaklar veya iğne delikleri olmadan yoğundur, bu da onu kısa yol ve güvenlik probleminden kaçınmak için TFLB için uygun bir katı elektrolit haline getirir.

Şekil 1 (a) Li2SiO3 hedefinin XRD deseni ve optik görüntüsü; (b) Tipik örnek LiSiON- 100N9A1'in XRD deseni ve optik görüntüsü; (c) Tipik örnek LiSiON-100N9A1'in kesit ve (d) üstten görünüşlü FESEM görüntüleri

Li2SiO3 hedefinin ve tipik örnek LiSiON-100N9A1'in kimyasal bileşimini ve bağlanma bilgilerini araştırmak için XPS analizi gerçekleştirildi. Şekil 2(a)'daki XPS tarama tarama spektrumu, Li2SiO3 hedefinde Li, Si ve O elementlerinin varlığını ve LiSiON ince filminde N elementinin bulunduğunu ortaya koymaktadır. LiSiON ince filminde N : Si'nin atom oranı XPS sonucuna göre yaklaşık 0.33 : 1'dir. ICP-MS ölçümüyle elde edilen ilgili atom oranıyla (1,51:1) birleştirildiğinde, tipik LiSiON-100N9A1 örneğinin stokiyometrisinin Li1,51SiO2,26N0,33 olduğu belirlenir. Li2SiO3 hedefinin Si2p çekirdek seviyesi XPS spektrumundaki tek Si-Si (103,2 eV) tepe noktasıyla karşılaştırıldığında (Şekil 2(b)), LiSiON ince filminden ek Si-N (101,6 eV) tepe noktası gözlemlenebilir LiSiON'da nitridasyonun meydana geldiğini öne sürüyor^[11,12]. Şekil 2(c)'deki Li2SiO3 hedefinin O1 çekirdek seviyesi XPS spektrumu iki bağlanma ortamını göstermektedir: SiOx'tan kaynaklanan 531,5 eV ve Li2O'ya atanan 528,8 eV. Biriktirmeden sonra, silikattaki köprü oluşturmayan oksijene (Açık) atanabilen LiSiON ince filmi ile 530.2 eV'de ortaya çıkan ek bileşen gözlemlenebilir.^[13,14]. Şekil 2(d)'deki LiSiON ince filminin N1s çekirdek seviyesi XPS spektrumu, Si-N bağlanması için 398,2 eV, Li3N için 396,4 eV ve nitrit türleri NO{{11} için 403,8 eV dahil olmak üzere üç zirveye ayrıştırılabilir. }, ayrıca N'nin LiSiON ağına dahil edildiğini doğruluyor^[14,15,16]. Şekil 2(e)'de şematik olarak gösterildiği gibi, N'nin LiSiON ağına dahil edilmesi, daha hızlı lityum iyon iletimi için faydalı olan daha çapraz bağlı bir yapı oluşturabilir.^[6,17].

Şekil 2 (a) Araştırma taraması, (b) Si2p çekirdek seviyesi, (c) O1s çekirdek seviyesi ve (d) Li2SiO3 hedefi ve tipik örnek LiSiON-100N9A1'in N1s çekirdek seviyesi XPS spektrumları; (e) N'nin eklenmesiyle Li2SiO3'ten LiSiON'a kısmi yapı değişiminin şematik gösterimi

LiSiON ince filmlerin iyonik iletkenliğini ve elektrokimyasal stabilitesini optimize etmek için, farklı püskürtme güçlerinde biriktirilen çeşitli LiSiON ince filmleri ve çalışma gazı akışları, iyonik iletkenlikleri ve voltaj pencereleri açısından karşılaştırıldı. LiSiON ince filmlerinin oda sıcaklığında Nyquist grafikleri Şekil 3(a)'da gösterilmektedir ve karşılık gelen Pt/LiSiON/Pt sandviç yapısı ve eşdeğer devre Şekil 3(b)'de gösterilmektedir. Gözlendiği gibi, Nyquist grafikleri tek bir yarım daire ve dielektrik kapasitans kuyruğu sergiler; bu, bloke edici kontaklar arasına sıkıştırılmış toplu gevşeme prosesi ile ince film iletken dielektrik özelliğidir^[17]. LiSiON ince filmlerin iyonik iletkenlikleri (σi), Denklem kullanılarak hesaplanabilir. (1).

σi=d/(RA)

Şekil 3 (a) Farklı koşullar altında biriktirilen LiSiON ince filmlerinin elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) spektrumları; (b) Pt/LiSiON/Pt sandviç yapısının ve karşılık gelen eşdeğer devrenin şematik gösterimi; (c) Farklı koşullar altında biriktirilen LiSiON ince filmlerinin CV eğrileri; (d) LiSiON-100N9A1 örneğinin kronoamperometri eğrisi

burada d film kalınlığı, A etkili alan (yaklaşık 1 cm2) ve R ölçülen Nyquist grafiğinden tahmin edilen film direncidir. Bu LiSiON ince filmler için hesaplanan iyonik iletkenlikler Tablo 1'de karşılaştırılmıştır. Gözlemlendiği gibi, 90 sccm N2 sabit akışında biriktirilen LiSiON ince filmin iyonik iletkenliği, püskürtme gücünün 80 W'tan 100 W'a artmasıyla artar, sonra düşer. Püskürtme gücü 120 W'a daha da yükseltildiğinde, bu da LiPON elektrolitiyle ilgili önceki rapora benzer^[18]. 100 W sabit püskürtme gücü altında çalışma gazındaki N2 oranı yükseltildiğinde iyonik iletkenliklerde bariz bir artış gözlemlenebilir; bu, lityum iyon için daha uygun ortam ile LiSiON içindeki artan miktardaki nitrojen miktarına atfedilebilir. hareket^{[5, 18]}. Dikkat çekici bir şekilde, LiSiON- 100N9 ve LiSiON-100N9A1 örneği sırasıyla 7,1×10-6 ve 6,3×10-6 S∙cm-1 ile en yüksek iyonik iletkenlikleri göstermektedir. , daha önce bildirilen amorf LiNbO3'ten (~1×10-6 S∙cm{{19}) açıkça bilinen LiPON'dan (~2×10-6 S∙cm-1) daha yüksektir. })^[19], LiBON (2,3×10-6 S∙cm-1)^[20], Li-V-Si-O (~1×10-6 S∙cm-1)^[21], Li-La-Zr-O (4×10-7 S∙cm-1)^[22]ve Li-Si-PO (1,6×10-6 S∙cm-1)^[23]elektrolit filmleri, amorf LiSiON ince filmin TFLB için elektrolit olarak rekabetçi bir aday olduğunu ortaya koyuyor. LiSiON ince filmin yüksek iyon iletkenliği, N'nin ince filme dahil edilmesine ve Si-O bağları yerine Si-N bağlarının oluşmasına atfedilebilir, bu da kolay lityum iyon hareketliliği için daha ağsı bir anyonik ağa yol açar^{[17, 24]}. LiSiON ince filmlerin elektrokimyasal kararlı voltaj pencereleri, 5,5 V'a kadar voltajla 5 mV∙s-1 tarama hızında CV ölçümü ile değerlendirildi. Biriktirme koşulunun voltaj üzerindeki etkisinin şuna dikkat edilmelidir: LiSiON filmlerin pencereleri değişiklik göstermektedir ve daha önceki raporlarda ince film elektroliti ile ilgili herhangi bir araştırma bulunmadığından bu durum şu anda net bir mekanizma ile açıklanamamaktadır.^[18,24-25]. Bununla birlikte, Şekil 3(c) ve Tablo 1'de karşılaştırıldığında, LiSiON-100N9A1 ve LiSiON- 100N5A5 örneği ~5.0 ve ~5.2 V'lik en geniş voltaj pencerelerini göstermektedir. sırasıyla LiPON elektrolitininkine yakındır. Bu nedenle, hem iyonik iletkenlik hem de voltaj penceresi dikkate alınarak, daha fazla araştırma ve tam hücre üretimi için LiSiON- 100N9A1 örneği seçildi. LiSiON-100N9A1 örneğinin lityum iyon aktarım sayısını (τi) ve elektronik iletkenliğini (σe) araştırmak için, 10 mV'lik sabit bir voltajda ayrıca kronoamperometri gerçekleştirildi (Şekil 3(d)). τi Denklem ile hesaplanabilir. (2).

τi=(Ib-ie)/Ib

burada Ib başlangıç ​​polarizasyon akımıdır ve Ie kararlı durum akımıdır^[18]. τi 0.998 olarak hesaplandı ve bu da 1'e yakındı; bu da lityum iyon iletiminin elektrolitte kesinlikle baskın olduğunu gösterir. τi, iyonların ve elektronların iletiminin karışık etkisiyle belirlenir.^[24]Denklem ile ifade edilebilir. (3).

τi=σi/(σi+σe)

Böylece, LiSiON-100N9A1 örneğinin σe'si 1,26×10-8 S∙cm-1 olarak hesaplanır ve bu, iyon iletkenliğine kıyasla ihmal edilebilir bir değerdir.

Tablo 1 Farklı koşullar altında biriktirilen LiSiON ince filmlerin lityum iyon iletkenliklerinin ve voltaj pencerelerinin karşılaştırılması

TFLB uygulaması için optimize edilmiş LiSiON{{0}}N9A1 örneğinin fizibilitesini doğrulamak amacıyla MoO3/LiSiON/Li TFLB daha da üretildi. MoO3/LiSiON/Li TLBB'nin kesit FESEM görüntüsü ve karşılık gelen EDS haritalama görüntüleri, Şekil 4(a)'da gösterilmektedir. Gözlemlendiği gibi, MoO3 katodu (yaklaşık 1,1 μm kalınlığında) ve Li anotu, LiSiON elektroliti tarafından iyi bir şekilde ayrılmıştır ve LiSiON elektroliti, hem katot hem de anot ile sıkı temas arayüzlerine sahiptir. Şekil 4(b), 1.5-3.5 V arasında 0.1 mV∙s-1 tarama hızında TFLB'nin tipik CV eğrisini gösterir; bu, bir çift iyi tanımlanmış redoks tepe noktasını gösterir. MoO3'e lityum iyonunun eklenmesine ve çıkarılmasına karşılık gelen yaklaşık 2,25 ve 2,65 V'de^[10]. Şekil 4(c), MoO3 filminin kütlesine dayalı olarak, 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2) akım yoğunluğunda TFLB'nin ilk 3 galvanostatik şarj/deşarj eğrisini gösterir. ). Gözlemlendiği gibi, TFLB 145/297 mAh∙g-1 (58/118,8 μAh∙cm-2) başlangıç ​​şarj/deşarj kapasitelerini sağlar. 2. döngüden sonra, 282 mAh∙g-1'lik yüksek tersinir spesifik kapasiteye sahip istikrarlı döngü davranışı, TFLB tarafından elde edildi. TFLB'nin çeşitli akım yoğunluklarında hız performansı Şekil 4(d)'de gösterilmektedir. Düşük akım yoğunluğunda ilk birkaç döngüde TFLB'nin geri döndürülemez kapasite kaybı, lityum eklenmesiyle elde edilen MoO3'teki geri döndürülemez faz geçişine atfedilebilir.^[26]. 100, 200, 400 ve 800 mA∙g-1'de sırasıyla yaklaşık 219, 173, 107 ve 50 mAh∙g-1'lik kararlı deşarj kapasiteleri gözlenir ve bu da iyi hız kapasitesi gösterir. TFLB'nin elektrokimyasal stabilitesini değerlendirmek için döngü performansı ayrıca 200 mA∙g-1 akım yoğunluğunda gerçekleştirildi (Şekil 4(e)). TFLB, 200 döngüden sonra başlangıçtaki deşarj kapasitesinin %78,1'ini tutabilir ve Coulombic verimliliği her döngü için %100'e yakındır, bu da LiSiON elektrolitin kabul edilebilir elektrokimyasal stabilitesini ortaya çıkarır. Farklı döngü sayılarında TFLB'deki elektrolit/elektrot arayüzünü araştırmak için açık devre voltajında ​​EIS ölçümleri ayrıca gerçekleştirildi ve eşdeğer devreye karşılık gelen Nyquist grafikleri, Şekil 4(f)'de gösterilmektedir. Gözlemlendiği gibi, MoO3/LiSiON/Li TFLB, önceki çalışmamızdaki MoO3/LiPON/Li TFLB'nin taze durumunda yüksek frekans bölgesinde iki yarım daireden oluşan benzer EIS spektrumunu göstermektedir.^[10]Li/LiSiON arayüzey direncinin, LiSiON/MoO3 arayüzüne kıyasla ihmal edilebilir olduğunu gösterir.^[20]. Nyquist grafiklerindeki ilk küçük yarım daire, LiSiON elektrolitindeki Li+ iyonlarının iyonik iletkenliğine atfedilirken, ikinci büyük yarım daire, LiSiON/MoO3 arayüzündeki yük aktarım sürecine karşılık gelir.^[27,28]. İlk küçük yarım dairenin döngüler sırasında nadiren değiştiği ve bu durumun LiSiON elektrolitinin nispeten iyi döngüsel stabilitesine işaret ettiği belirtilmektedir. Bununla birlikte, ikinci yarım daire, döngü numarası geliştikçe kademeli olarak genişler ve döngü sırasında LiSiON/MoO3 arayüz direncinin arttığını ortaya çıkarır; bu, TFLB'nin kapasitesinin azalmasının ana nedeni olabilir.^[29]. Bu çalışmanın, TFLB'yi oluşturmak için LiSiON elektrolitini başarıyla benimsediğini ve LiSiON'un hem MoO3 katotu hem de lityum anot ile ilk kez iyi arayüzey temasını gösterdiğini belirtmekte fayda var. Ayrıca, MoO3/LiSiON/Li TFLB'nin büyük spesifik kapasitesi, iyi hız kapasitesi ve kabul edilebilir döngü performansı, LiSiON ince filminin TFLB için elektrolit olarak iyi bir şekilde uygulanabileceğini göstermektedir.

Şekil 4 (a) MoO3/LiSiON/Li TFLB'nin FESEM kesit görüntüsü ve karşılık gelen EDS haritalama görüntüleri; (b) Tipik CV eğrisi, (c) ilk üç şarj/deşarj eğrisi, (d) hız performansı, (e) döngü performansı ve (f) örnek LiSiON ile MoO3/LiSiON/Li TFLB'nin farklı döngü numaralarında EIS spektrumları -100N9A1 elektrolit olarak

3 Sonuç

Özetle, amorf LiSiON ince film elektroliti, N2/Ar gaz akışıyla Li2SiO3 hedefi kullanılarak RF magnetron püskürtme yoluyla başarıyla hazırlandı. 90 sccm N2 ve 10 sccm Ar akışında 100 W RF gücü altında biriktirilen optimize edilmiş LiSiON ince film, pürüzsüz yüzeye, yoğun yapıya, yüksek iyon iletkenliğine (6,3×10-6 S∙cm-1) sahiptir. ve geniş voltaj penceresi (5 V), bu da onu TFLB için umut verici bir elektrolit malzemesi haline getiriyor. Daha da önemlisi, LiSiON elektrolit kullanılarak, bir MoO3/LiSiON/Li TFLB ilk kez yüksek özgül kapasiteye (50 mA∙g-1'da 282 mAh∙g-1) sahip, iyi bir performansla başarıyla gösterildi. hız performansı (800 mA∙g-1'de 50 mAh∙g-1) ve kabul edilebilir döngü kararlılığı (200 döngüden sonra %78,1 kapasite tutma). Bu çalışmanın, Li2O-SiO2 bazlı ince film elektroliti kullanılarak yüksek performanslı TFLB geliştirmek için yeni fırsatlar getirmesi bekleniyor.

Referanslar

[1] MOITZHEIM S, PUT B, VEREECKEN PM M. 3D ince film Li-ion pillerdeki gelişmeler. Gelişmiş Malzeme Arayüzleri, 2019,6(15):1900805.
[2] XIA Q, ZHANG Q, SUN S, ve diğerleri. Yüksek performanslı, tamamen katı halli ince film lityum mikro piller için 3 boyutlu katot olarak tünel içi büyümeli LixMnO2 nano tabaka dizileri. Gelişmiş Malzemeler, 2021,33(5):2003524.
[3] DENG Y, EAMES C, FLEUTOT B, ve diğerleri. Karışık polianyon etkisi yoluyla lityum süperiyonik iletken (LISICON) katı elektrolitlerdeki lityum iyon iletkenliğinin arttırılması. ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2017,9(8):7050-7058.
[4] BATES JB, DUDNEY NJ, GRUZALSKI GR, ve diğerleri. Amorf lityum elektrolit ince filmlerin ve şarj edilebilir ince film pillerin imalatı ve karakterizasyonu. Güç Kaynakları Dergisi, 1993,43(1/2/3):103-110.
[5] BATES J. Amorf lityum elektrolit ince filmlerin elektriksel özellikleri. Katı Hal İyonikleri, 1992,53(56):647-654.
[6] FAMPRIKIST T, GALIPAUD J, CLEMENS O, ve diğerleri. Katı hal pilleri için LiSiPO(N) ince film elektrolitlerinde iyonik iletkenliğin bileşim bağımlılığı. ACS Uygulamalı Enerji Malzemeleri, 2019,2(7):4782-4791.
[7] DENG Y, EAMES C, CHOTARD JN, ve diğerleri. Li4SiO4- Li3PO4 katı elektrolitlerinde hızlı lityum iyon iletimine ilişkin yapısal ve mekanik bilgiler. Amerikan Kimya Derneği Dergisi, 2015,137(28):9136-9145.
[8] CHEN R, SONG X. Li4+xMxSi1-xO4-yLi2O (M=Al, B) sistemleri için katı elektrolitlerin iyonik iletkenliği. Çin Kimya Derneği Dergisi, 2002,49:7-10.
[9] ADNAN S, MOHAMED N S. Sn ikamesinin Li4SiO4 seramik elektrolit özellikleri üzerindeki etkileri. Katı Hal İyonikleri, 2014,262:559-562.
[10] SUN S, XIA Q, LIU J, ve diğerleri. Gelişmiş tamamen katı hal ince film lityum piller için 3 boyutlu katot olarak kendi kendine ayakta duran, oksijeni yetersiz -MoO3-x nanoflake dizileri. Materiyomik Dergisi, 2019,5(2):229-236.
[11] DING W, LU W, DENG X, ve diğerleri. Mikrodalga ECR magnetron püskürtme yoluyla biriktirilen SiNx filminin yapısı üzerine bir XPS çalışması. Acta Physica Sinica, 2009,58(6):4109-4116.
[12] KIM H, KIM Y. Li4SiO4'ün kısmi nitridasyonu ve Li4'ün iyonik iletkenliği. 1SiO3. 9N0. 1Ceramics International, 2018,44(8):9058-9062.
[13] MARIKO M, HIDEMASA K, TOMOYUKI O, ve ark. Lityum iyon piller için SiO anotlarının analizi. Elektrokimya Topluluğu Dergisi, 2005,152(10):A2089.
[14] FINGERLE M, BUCHHEIT R, SICOLO S, ve diğerleri. LiCoO2-LiPON arayüzünde reaksiyon ve uzay yükü katmanı oluşumu: birleşik yüzey bilimi simülasyon yaklaşımıyla kusur oluşumu ve iyon enerji seviyesi hizalaması hakkında bilgiler. Kimya Malzemeleri, 2017,29(18):7675-7685.
[15] WEST W, HOOD Z, ADHIKARI S, et al. Kristalli bir Li2PO2N kaynağından filmlerin darbeli lazer biriktirilmesiyle katı elektrolit-elektrot arayüzünde yük transfer direncinin azaltılması. Güç Kaynakları Dergisi, 2016,312:116-122.
[16] SICOLO S, FINGERLE M, HAUSBRAND R, ve diğerleri. Amorf LiPON'un lityuma karşı arayüzey kararsızlığı: birleşik yoğunluk fonksiyonel teorisi ve spektroskopik çalışma. Güç Kaynakları Dergisi, 2017,354:124-133.
[17] WU F, LIU Y, CHEN R, ve diğerleri. İnce film lityum piller için yeni Li-Ti-Si-PON ince film elektrolitinin hazırlanması ve performansı. Güç Kaynakları Dergisi, 2009,189(1):467-470.
[18] PUT B, VEREECKEN M, MEERSSCHAUT J, et al. Nano ölçekli piller için ultra ince RF püskürtmeli LiPON katmanlarının elektriksel karakterizasyonu. ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2016,8(11):7060-7069.
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Sol-Gel yöntemiyle biriktirilen Li-Nb-O filmlerinde Li+ İletimi. Katı Hal İyonikleri, 2016,285:13-18.
[20] SONG S, LEE K, PARK H. Lityum bor oksinitrürün katı elektrolitini temel alan, yüksek performanslı, esnek, tamamen katı hal mikro piller. Güç Kaynakları Dergisi, 2016,328:311-317.
[21] OHTSUKA H, OKADA S, YAMAKI J. Li2O-V2O5-SiO2 katı elektrolit ince filmli katı hal pili. Katı Hal İyonikleri, 1990,40-41:964-966.
[22] Kalita D, Lee S, Lee K, ve diğerleri. İnce film piller için amorf Li-La-Zr-O katı elektrolitin iyonik iletkenlik özellikleri. Katı Hal İyonikleri, 2012,229:14-19.
[23] SAKURAI Y, SAKUDA A, HAYASHI A, ve ark. Tamamen katı hal lityum ikincil piller için amorf Li4SiO4-Li3PO4 ince filmlerinin darbeli lazer biriktirme yoluyla hazırlanması. Katı Hal İyonikleri, 2011,182:59-63.
[24] TAN G, WU F, LI L, ve diğerleri. Tamamen katı hal lityum iyon piller için nitrojen içeren lityum-alüminyum-titanyum fosfat bazlı ince film elektrolitlerin magnetron püskürtmeyle hazırlanması. Fiziksel Kimya Dergisi C, 2012,116(5):3817-3826.
[25] YU X, BATES JB, JELLISON G, ve diğerleri. Kararlı bir ince film lityum elektrolit: lityum fosfor oksinitrid. Elektrokimya Topluluğu Dergisi, 1997,144(2):524.
[26] KIM H, COOK J, LIN H, ve diğerleri. Oksijen boşlukları MoO3-x'in sözde kapasitif yük depolama özelliklerini geliştirir. Doğa Malzemeleri, 2017,16:454-460.
[27] SONG H, WANG S, SONG X ve diğerleri. Aşırı düşük sıcaklıklarda çalışan, güneş enerjisiyle çalışan, tamamen katı hal lityum hava pilleri. Enerji ve Çevre Bilimi, 2020,13(4):1205-1211.
[28] WANG Z, LEE J, XIN H, ve diğerleri. Katot elektrolit arayüzey (CEI) katmanının, tamamen katı hal ince film pillerin uzun süreli döngüsüne etkileri. Güç Kaynakları Dergisi, 2016,324:342-348.
[29] QIAO Y, DENG H, HEP, ve ark. Anyonik redoks bazlı 500 Wh/kg lityum-metal hücre. Joule, 2020,4(6):1311-1323.