Amorfný tenkovrstvový elektrolyt LiSiON

autor:XIA Qiuying, SUN Shuo, ZAN Feng, XU Jing, XIA Hui

School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Čína

Abstraktné

Celopevná tenkovrstvová lítiová batéria (TFLB) je považovaná za ideálny zdroj energie pre mikroelektronické zariadenia. Avšak relatívne nízka iónová vodivosť amorfného elektrolytu v tuhom stave obmedzuje zlepšenie elektrochemického výkonu pre TFLB. V tejto práci sa tenké filmy amorfného oxynitridu lítneho kremíka (LiSiON) pripravujú magnetrónovým naprašovaním ako elektrolyt v tuhom stave pre TFLB. S optimalizovanými depozičnými podmienkami vykazuje tenký film LiSiON vysokú iónovú vodivosť 6,3×10-6 S∙cm-1 pri izbovej teplote a široké napäťové okno nad 5 V, čo z neho robí vhodný tenkovrstvový elektrolyt pre TFLB. MoO3/LiSiON/Li TFLB je skonštruovaný na základe tenkovrstvového elektrolytu LiSiON s veľkou špecifickou kapacitou (282 mAh∙g-1 pri 50 mA∙g-1), dobrou rýchlosťou (50 mAh∙g -1 pri 800 mA∙g-1) a prijateľnú životnosť cyklu (78,1 % zachovanie kapacity po 200 cykloch), čo dokazuje uskutočniteľnosť tohto elektrolytu pre praktické aplikácie.

Kľúčové slová:LiSiON; tenkovrstvový elektrolyt; celopevná lítiová batéria; tenkovrstvová batéria

Rýchly rozvoj mikroelektronického priemyslu, ako sú mikroelektromechanické systémy (MEMS), mikrosnímače, inteligentné karty a implantovateľné mikromedicínske zariadenia, vedie k rastúcim požiadavkám na integrované mikroskladovanie energie.^[1,2]. Spomedzi dostupných batériových technológií sa celopevná tenkovrstvová lítiová batéria (TFLB) považuje za ideálny zdroj energie pre mikroelektronické zariadenia vzhľadom na ich vysokú bezpečnosť, malé rozmery, dizajn s napájaním na čipe, dlhú životnosť a nízku miera samovybíjania. Ako jedna z kľúčových zložiek TFLB hrá tenkovrstvový elektrolyt v tuhom stave zásadnú úlohu pri určovaní vlastností TFLB.^[3]. Preto je vývoj vysokovýkonného tenkovrstvového elektrolytu v tuhom stave vždy dôležitým cieľom pre vývoj TFLB. V súčasnosti je najpoužívanejším elektrolytom v TFLB amorfný oxynitrid lítium-fosforečný (LiPON), ktorý má strednú iónovú vodivosť (2×10-6 S∙cm-1), nízku elektrónovú vodivosť (~{{5 }} S∙cm-1), široký rozsah napätia (~5,5 V) a dobrá stabilita kontaktu s lítiom^[4,5]. Jeho iónová vodivosť je však relatívne nízka, čo bráni budúcemu vývoju vysoko výkonného TFLB pre nadchádzajúcu éru internetu vecí (IoT).^[6]. Preto je naliehavé vyvinúť nové tenkovrstvové elektrolyty so zvýšenou iónovou vodivosťou, ako aj veľkým napäťovým oknom a dobrou stabilitou kontaktu s lítiom pre TFLB ďalšej generácie.

Medzi rôznymi anorganickými elektrolytickými materiálmi v tuhom stave bol systém tuhých roztokov Li2O-SiO2 a ich deuterogénne fázy identifikované ako potenciálne tenkovrstvové elektrolyty vďaka svojim rýchlym trojrozmerným vodivým kanálom lítia.^[7]. Napríklad Chen a kol.^[8]oznámili, že Al substituovaný Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O pevný elektrolyt má vysokú iónovú vodivosť 5,4×10-3 S∙cm{{12} } pri 200 stupňoch. Adnan a kol.^[9] zistili, že zlúčenina Li4Sn0.02Si0.98O4 má maximálnu hodnotu vodivosti 3,07×10-5 S∙cm-1 pri teplote okolia. Predchádzajúce práce na systémoch elektrolytov Li2O-SiO2 sa však väčšinou zameriavali na práškové materiály s vysokou kryštalinitou, zatiaľ čo veľmi obmedzená práca bola hlásená na ich amorfných tenkovrstvových náprotivkoch pre TFLB. Keďže TFLB je typicky konštruovaný ukladaním tenkých vrstiev katódy, elektrolytu a anódy vrstva po vrstve, vyžaduje sa príprava vrstvy elektrolytu pri relatívne nízkej teplote, aby sa predišlo nepriaznivým interakciám medzi katódou a elektrolytom, ktoré vedú k prasknutiu a skratu. TFLB^[1,2]. Pre TFLB je teda dôležitý vývoj Li2O-SiO2 elektrolytu s amorfnou vlastnosťou pripravený pri nízkej teplote. Aj keď nedávna práca^[6] ukazuje, že vysokú lítium-iónovú vodivosť 2,06×10-5 S∙cm-1 možno získať amorfným Li-Si-PON tenkým filmom, jeho kontaktná stabilita s elektródami a elektrochemická stabilita v TFLB ešte neboli dosiahnuté byť vyšetrený. Preto je kriticky dôležité vyvinúť vysoko výkonný tenkovrstvový elektrolyt na báze Li2O-SiO2 a preukázať jeho skutočnú aplikáciu v TFLB.

V tejto práci sa pripravil tenký film amorfného oxynitridu lítneho kremíka (LiSiON) rádiofrekvenčným (RF) magnetrónovým naprašovaním pri izbovej teplote a skúmal sa ako elektrolyt v tuhom stave pre TFLB. Naprašovacia sila a prietok pracovného plynu N2/Ar boli optimalizované tak, aby sa dosiahli najlepšie podmienky nanášania tenkého filmu LiSiON. Okrem toho, aby sa preukázala použiteľnosť optimalizovaného elektrolytu LiSiON pre TFLB, bol skonštruovaný úplný článok MoO3 / LiSiON / Li a jeho elektrochemický výkon bol systematicky skúmaný.

1 Experimentálne

1.1 Príprava tenkých vrstiev LiSiON

Tenké vrstvy LiSiON boli pripravené RF magnetrónovým naprašovaním (Kurt J. Lesker) s použitím terča Li2Si03 (priemer 76,2 mm) pri teplote miestnosti počas 12 hodín. Pred depozíciou sa tlak v komore znížil na menej ako 1×10-5 Pa. Vzdialenosť od terča k substrátu bola 10 cm. Vzorky uložené pri vysokofrekvenčnom výkone 80, 100 a 120 W pri prietoku 90 sccm N2 sú označené ako vzorka LiSiON-80N9, LiSiON-100N9 a LiSiON-120N9, resp. A vzorky uložené pri vysokofrekvenčnom výkone 100 W pri prietoku 90 sccm N2 a 10 sccm Ar, 90 sccm N2 a 50 sccm Ar, 50 sccm N2 a 50 sccm Ar sú označené ako vzorka LiSiON- 100N9A1, LiSiON -100N9A5 a LiSiON-100N5A5.

1.2 Príprava MoO3/LiSiON/Li TFLB

Film MoO3 bol pripravený jednosmerným prúdom (DC) reaktívnym magnetrónovým rozprašovaním (Kurt J. Lesker) s použitím čistého kovového Mo terča (priemer 76,2 mm) podľa našej predchádzajúcej správy^[10]. Vzdialenosť od terča k substrátu bola 10 cm a výkon jednosmerného naprašovania bol 60 W. Nanášanie sa uskutočňovalo pri teplote substrátu 100 stupňov počas 4 hodín pri prietoku 40 sccm Ar a 10 sccm O2, žíhaním in situ ošetrenie pri 450 stupňoch počas 1 hodiny. LiSiON-100N9A1 sa potom naniesol na film MoO3 ako elektrolyt. Potom sa kovový lítiový film s hrúbkou asi 2 μm naniesol na film LiSiON pomocou vákuového tepelného odparovania (Kurt J. Lesker). Posledný výrobný krok zahŕňal nanášanie zberača prúdu Cu a proces enkapsulácie.

1.3 Charakteristika materiálu

Kryštálové štruktúry vzoriek boli charakterizované rôntgenovou difrakciou (XRD, Bruker D8 Advance). Morfológie a mikroštruktúry vzoriek boli charakterizované poľným emisným rastrovacím elektrónovým mikroskopom (FESEM, FEI Quanta 250F) vybaveným energiovo-disperznou röntgenovou spektroskopiou (EDS). Elementárne zloženie vzoriek sa analyzovalo hmotnostnou spektrometriou s indukčne viazanou plazmou (ICP-MS, Agilent 7700X). Chemické zloženie a väzbové informácie vzoriek boli merané rôntgenovou fotoelektrónovou spektroskopiou (XPS, Escalab 250XI, Thermo Scientific).

1.4 Elektrochemické merania

Iónová vodivosť tenkovrstvového elektrolytu LiSiON bola meraná pomocou sendvičovej štruktúry Pt/LiSiON/Pt. Elektrochemická impedančná spektroskopia (EIS) (od 1000 kHz do 0,1 Hz s potenciálnou amplitúdou 5 mV) a merania cyklickej voltametrie (CV) vzoriek sa uskutočnili na elektrochemickom prístroji Biologic VMP3 pracovná stanica. Meranie galvanostatického náboja/vybíjania (GCD) MoO3/LiSiON/Li TFLB sa uskutočnilo s použitím batériového systému Neware BTS4000 v argónom naplnenej rukavicovej skrinke pri izbovej teplote. Na stanovenie hmotnostného zaťaženia elektródy sa použili analytické váhy Sartorius (CPA225D, s rozlíšením 10 ug) a hmotnostné zaťaženie filmu MoO3 je približne 0,4 mg∙cm-2.

2 Výsledky a diskusia

Ako je znázornené na optickom obrázku vloženom na obr. 1(a), na prípravu tenkého filmu LiSiON sa použil cieľ Li2Si03. Výsledok XRD na obr. 1(a) ukazuje, že cieľ sa skladá z hlavnej fázy Li2Si03 (JCPDS 83-1517) a vedľajšej fázy Si02. Meranie ICP-MS ukazuje, že atómový pomer Li : Si je v cieli približne 1,79 : 1. Pre typickú vzorku LiSiON-100N9A1 sa po naprašovaní terča získal priehľadný amorfný tenký film (obr. 1(b)). Hrúbka typickej vzorky LiSiON-100N9A1 meraná zo snímky prierezu FESEM na obr. 1(c) je približne 1,2 μm, čo naznačuje rýchlosť rastu približne 100 nm∙h-1 pod týmto stave. Ako je znázornené na obrázku FESEM z horného pohľadu na obr. 1(d), povrch tenkého filmu LiSiON je veľmi hladký a hustý bez prasklín alebo dier, čo z neho robí vhodný pevný elektrolyt pre TFLB, aby sa predišlo skratu a bezpečnostným problémom.

Obr. 1 (a) XRD obrazec a optický obraz cieľa Li2Si03; (b) XRD vzor a optický obraz typickej vzorky LiSiON- 100N9A1; (c) Prierez a (d) pohľad zhora na FESEM snímky typickej vzorky LiSiON-100N9A1

Uskutočnila sa analýza XPS s cieľom preskúmať chemické zloženie a informácie o väzbe cieľa Li2SiO3 a typickej vzorky LiSiON-100N9A1. Skenovacie spektrá XPS na obr. 2(a) odhaľujú prítomnosť prvkov Li, Si a O v cieli Li2SiO3 a zavedenie prvku N v tenkom filme LiSiON. Atómový pomer N : Si v tenkom filme LiSiON je približne 0,33 : 1 podľa výsledku XPS. V kombinácii so zodpovedajúcim atómovým pomerom (1,51 : 1) získaným meraním ICP-MS sa stechiometria typickej vzorky LiSiON-100N9A1 určila ako Li1.51SiO2.26N0.33. V porovnaní s jediným vrcholom Si-Si (103,2 eV) v spektre XPS na úrovni jadra Si2p cieľa Li2SiO3 (obr. 2(b)) možno z tenkého filmu LiSiON pozorovať ďalší vrchol Si-N (101,6 eV). , čo naznačuje výskyt nitridácie v LiSiON^[11,12]. Spektrum XPS na úrovni jadra O1 Li2Si03 cieľa na Obr. 2(c) ukazuje dve väzbové prostredia: 531,5 eV pochádzajúce zo SiOx a 528,8 eV priradené Li2O. Po nanesení sa ďalšia zložka objavila pri 530,2 eV možno pozorovať pomocou tenkého filmu LiSiON, ktorý možno priradiť nepremosťovaciemu kyslíku (On) v silikáte^[13,14]. Spektrum XPS na úrovni jadra N1 LiSiON tenkého filmu na obr. 2(d) možno rozložiť na tri píky, vrátane 398,2 eV pre väzbu Si-N, 396,4 eV pre Li3N a 403,8 eV pre druhy dusitanov NO{{11} }, čo ďalej potvrdzuje začlenenie N do siete LiSiON^[14,15,16]. Ako je schematicky znázornené na obr. 2(e), začlenenie N do siete LiSiON môže vytvoriť viac zosieťovanú štruktúru, čo je prospešné pre rýchle vedenie lítium-iónových^[6,17].

Obr. 2 (a) Skenovanie prieskumu, (b) úroveň jadra Si2p, (c) úroveň jadra O1 a (d) spektrá XPS na úrovni jadra N1 cieľa Li2SiO3 a typickej vzorky LiSiON-100N9A1; (e) Schematické znázornenie čiastočnej zmeny štruktúry z Li2SiO3 na LiSiON so zabudovaním N

Na optimalizáciu iónovej vodivosti a elektrochemickej stability tenkých vrstiev LiSiON sa porovnávali rôzne tenké vrstvy LiSiON nanesené pri rôznych výkonoch rozprašovania a toky pracovného plynu z hľadiska ich iónovej vodivosti a napäťových okien. Nyquistove grafy tenkých vrstiev LiSiON pri izbovej teplote sú znázornené na obr. 3(a) a zodpovedajúca sendvičová štruktúra Pt/LiSiON/Pt a ekvivalentný obvod sú znázornené na obr. 3(b). Ako bolo pozorované, Nyquistove grafy vykazujú jeden polkruhový a dielektrický kapacitný chvost, ktorý je charakteristický pre tenkovrstvové vodivé dielektrikum s procesom hromadnej relaxácie vloženým medzi blokovacie kontakty.^[17]. Iónové vodivosti (σi) tenkých vrstiev LiSiON možno vypočítať pomocou rovnice. (1).

σi=d/(RA)

Obr. 3 (a) Elektrochemická impedančná spektroskopia (EIS) spektrá tenkých vrstiev LiSiON nanesených za rôznych podmienok; (b) Schematické znázornenie sendvičovej štruktúry Pt/LiSiON/Pt a zodpovedajúceho ekvivalentného obvodu; (c) CV krivky tenkých vrstiev LiSiON nanesených za rôznych podmienok; (d) Chronoamperometrická krivka vzorky LiSiON-100N9A1

kde d je hrúbka filmu, A je efektívna plocha (asi 1 cm2) a R je odpor filmu odhadnutý z nameraného Nyquistovho grafu. Vypočítané iónové vodivosti pre tieto tenké vrstvy LiSiON sú porovnané v tabuľke 1. Ako bolo pozorované, iónová vodivosť tenkého filmu LiSiON naneseného pri konštantnom prietoku 90 sccm N2 sa zvyšuje so zvyšujúcim sa výkonom rozprašovania z 80 W na 100 W, potom klesá keď sa rozprašovací výkon ďalej zvýši na 120 W, čo je podobné predchádzajúcej správe o LiPON elektrolyte^[18]. Zrejmé zvýšenie iónovej vodivosti možno pozorovať, keď sa podporuje pomer N2 v pracovnom plyne pri konštantnom rozprašovacom výkone 100 W, čo možno pripísať zvýšenému množstvu zabudovaného dusíka v LiSiON s priaznivejším prostredím pre lítium ión pohybu^{[5, 18]}. Je zrejmé, že vzorka LiSiON- 100N9 a LiSiON-100N9A1 vykazuje najvyššiu iónovú vodivosť 7,1×10-6 a 6,3×10-6 S∙cm-1 , ktoré sú zjavne vyššie ako dobre známy LiPON (~2×10-6 S∙cm-1), predtým uvádzaný amorfný LiNbO3 (~1×10-6 S∙cm{{19} })^[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]a Li-Si-PO (1,6×10-6 S∙cm-1)^[23]elektrolytové filmy, čo ukazuje, že amorfný tenký film LiSiON je konkurenčným kandidátom ako elektrolyt pre TFLB. Vysoká iónová vodivosť tenkého filmu LiSiON možno pripísať inkorporácii N do tenkého filmu a tvorbe väzieb Si-N namiesto väzieb Si-O, čo vedie k sieťovanejšej aniónovej sieti pre ľahkú mobilitu lítnych iónov.^{[17, 24]}. Elektrochemicky stabilné napäťové okná tenkých vrstiev LiSiON boli vyhodnotené CV meraním pri rýchlosti skenovania 5 mV∙s-1 s napätím do 5,5 V. Je potrebné zdôrazniť, že vplyv podmienok depozície na napätie okno LiSiON filmov sa mení, čo sa v súčasnosti nedá vysvetliť jasným mechanizmom, pretože v predchádzajúcich správach neexistujú žiadne relevantné výskumy o tenkovrstvovom elektrolyte^[18,24-25]. V porovnaní s obr. 3(c) a tabuľkou 1 však vzorka LiSiON-100N9A1 a LiSiON- 100N5A5 vykazuje najširšie napäťové okná ~5.0 a ~5,2 V , respektíve, ktoré sú blízke elektrolytu LiPON. Preto, berúc do úvahy okno iónovej vodivosti a napätia, bola na ďalšie skúmanie a výrobu celého článku vybratá vzorka LiSiON- 100N9A1. Na preskúmanie prenosového čísla lítnych iónov (τi) a elektronickej vodivosti (σe) vzorky LiSiON-100N9A1 sa ďalej vykonala chronoamperometria pri konštantnom napätí 10 mV (obr. 3(d)). τi možno vypočítať pomocou rovnice. (2).

τi=(Ib-Ie)/Ib

kde Ib je počiatočný polarizačný prúd a Ie je prúd v ustálenom stave^[18]. Hodnota τi bola vypočítaná ako 0,998, čo je blízko k 1, čo naznačuje, že vodivosť lítiových iónov je v elektrolyte absolútne dominantná. τi je určené zmiešaným účinkom vodivosti iónov a elektrónov^[24], ktorý možno vyjadriť rovnicou. (3).

τi=σi/(σi+σe)

Vypočíta sa teda σe vzorky LiSiON-100N9A1 1,26×10-8 S∙cm-1, čo je zanedbateľné v porovnaní s jej iónovou vodivosťou.

Tabuľka 1 Porovnanie vodivosti lítium-iónových a napäťových okien tenkých vrstiev LiSiON nanesených za rôznych podmienok

Na overenie uskutočniteľnosti optimalizovanej vzorky LiSiON{{0}}}N9A1 pre aplikáciu TFLB bol ďalej vyrobený MoO3/LiSiON/Li TFLB. Snímka prierezu FESEM a zodpovedajúce mapovacie snímky EDS MoO3/LiSiON/Li TFLB sú znázornené na obr. 4(a). Ako bolo pozorované, katóda MoO3 (hrúbka asi 1, 1 μm) a Li anóda sú dobre oddelené elektrolytom LiSiON a elektrolyt LiSiON má tesné kontaktné rozhrania s katódou aj anódou. Obr. 4(b) zobrazuje typickú CV krivku TFLB pri rýchlosti skenovania 0,1 mV∙s-1 medzi 1.5-3,5 V, čo ukazuje pár dobre definovaných redoxných píkov pri približne 2,25 a 2,65 V, čo zodpovedá vloženiu lítnych iónov do a extrakcii z MoO3^[10]. Obr. 4(c) znázorňuje počiatočné 3 krivky galvanostatického náboja/výboja TFLB pri prúdovej hustote 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2 na základe hmotnosti filmu MoO3 ). Ako bolo pozorované, TFLB poskytuje počiatočnú kapacitu nabíjania/vybíjania 145/297 mAh∙g-1 (58/118,8 μAh∙cm-2). Po 2. cykle sa pomocou TFLB dosiahlo stabilné cyklovanie s vysokou reverzibilnou špecifickou kapacitou 282 mAh∙g-1. Rýchlostný výkon TFLB pri rôznych prúdových hustotách je znázornený na obr. 4(d). Nevratnú stratu kapacity TFLB v počiatočných niekoľkých cykloch pri nízkej prúdovej hustote možno pripísať ireverzibilnému fázovému prechodu v MoO3 odvodenom inzerciou lítia.^[26]. Stabilné vybíjacie kapacity približne 219, 173, 107 a 50 mAh∙g-1 sa pozorujú pri 100, 200, 400 a 800 mA∙g-1, čo dokazuje dobrú schopnosť rýchlosti. Na vyhodnotenie elektrochemickej stability TFLB sa výkon cyklu ďalej uskutočňoval pri prúdovej hustote 200 mA∙g-1 (obr. 4(e)). TFLB si môže po 200 cykloch zachovať 78,1 % svojej počiatočnej vybíjacej kapacity a Coulombická účinnosť je takmer 100 % pre každý cyklus, čo odhaľuje prijateľnú elektrochemickú stabilitu LiSiON elektrolytu. Merania EIS sa ďalej uskutočňovali pri napätí otvoreného obvodu, aby sa preskúmalo rozhranie elektrolyt/elektróda v TFLB pri rôznych číslach cyklov a zodpovedajúce Nyquistove grafy s ekvivalentným obvodom sú znázornené na obr. 4(f). Ako bolo pozorované, MoO3/LiSiON/Li TFLB vykazuje podobné spektrum EIS, ktoré pozostáva z dvoch polkruhov vo vysokofrekvenčnej oblasti v čerstvom stave ako MoO3/LiPON/Li TFLB v našej predchádzajúcej práci.^[10], čo naznačuje, že odpor rozhrania Li/LiSiON je zanedbateľný v porovnaní s odporom rozhrania LiSiON/MoO3^[20]. Prvý malý polkruh v Nyquistových grafoch sa pripisuje iónovej vodivosti Li+ iónov v elektrolyte LiSiON, zatiaľ čo druhý veľký polkruh zodpovedá procesu prenosu náboja na rozhraní LiSiON/MoO3^[27,28]. Je potrebné poznamenať, že prvý malý polkruh sa počas cyklov zriedka mení, čo naznačuje relatívne dobrú cyklickú stabilitu elektrolytu LiSiON. Druhý polkruh sa však postupne rozširuje, ako sa číslo cyklu vyvíja, čo odhaľuje zvýšený medzifázový odpor LiSiON / MoO3 počas cyklovania, čo by mohlo byť hlavným dôvodom slabnutia kapacity TFLB.^[29]. Stojí za zmienku, že táto práca úspešne využíva elektrolyt LiSiON na konštrukciu TFLB a prvýkrát demonštruje dobrý medzifázový kontakt LiSiON s katódou MoO3 a lítiovou anódou. Okrem toho veľká špecifická kapacita, dobrá rýchlosť a prijateľný výkon cyklu MoO3 / LiSiON / Li TFLB demonštrujú, že tenký film LiSiON je dobre použiteľný ako elektrolyt pre TFLB.

Obr. 4 (a) FESEM obraz v reze a zodpovedajúce EDS mapovacie obrazy MoO3/LiSiON/Li TFLB; (b) Typická CV krivka, (c) počiatočné tri krivky nabíjania/vybíjania, (d) rýchlosť výkonu, (e) výkon cyklu a (f) EIS spektrá pri rôznych číslach cyklov TFLB MoO3/LiSiON/Li so vzorkou LiSiON -100N9A1 ako elektrolyt

3 Závery

Stručne povedané, amorfný tenkovrstvový elektrolyt LiSiON bol úspešne pripravený RF magnetrónovým naprašovaním pomocou terča Li2SiO3 s prietokom plynu N2 / Ar. Optimalizovaný tenký film LiSiON nanesený pri vysokofrekvenčnom výkone 100 W pri prietoku 90 sccm N2 a 10 sccm Ar má hladký povrch, hustú štruktúru, vysokú iónovú vodivosť (6,3×10-6 S∙cm-1) a širokým napäťovým oknom (5 V), čo z neho robí sľubný elektrolytický materiál pre TFLB. A čo je dôležitejšie, použitím LiSiON elektrolytu sa prvýkrát úspešne demonštroval MoO3/LiSiON/Li TFLB s vysokou špecifickou kapacitou (282 mAh∙g-1 pri 50 mA∙g-1), dobrá rýchlosť výkonu (50 mAh∙g-1 pri 800 mA∙g-1) a prijateľnú stabilitu cyklu (78,1 % zachovanie kapacity po 200 cykloch). Očakáva sa, že táto práca prinesie nové príležitosti na vývoj vysokovýkonného TFLB pomocou tenkovrstvového elektrolytu na báze Li2O-SiO2.

Referencie

[1] MOITZHEIM S, PUT B, VEREECKEN P M. Pokroky v 3D tenkovrstvových lítium-iónových batériách. Rozšírené rozhrania materiálov, 2019, 6 (15): 1900805.
[2] XIA Q, ZHANG Q, SUN S, a kol. Tunelové nanovrstvové polia LixMnO2 ako 3D katóda pre vysokovýkonné lítiové mikrobatérie s tenkým filmom v tuhom stave. Advanced Materials, 2021,33(5):2003524.
[3] DENG Y, EAMES C, FLEUTOT B a kol. Zvýšenie vodivosti lítiových iónov v pevných elektrolytoch lítiového superiónového vodiča (LISICON) prostredníctvom zmiešaného polyaniónového efektu. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(8):7050-7058.
[4] BATES JB, DUDNEY NJ, GRUZALSKI GR, et al. Výroba a charakterizácia tenkých vrstiev amorfného lítiového elektrolytu a dobíjacích tenkovrstvových batérií. Journal of Power Sources, 1993, 43(1/2/3):103-110.
[5] BATES J. Elektrické vlastnosti tenkých vrstiev amorfného lítiového elektrolytu. Solid State Ionics, 1992, 53(56):647-654.
[6] FAMPRIKIS T, GALIPAUD J, CLEMENS O, et al. Závislosť iónovej vodivosti na zložení v LiSiPO(N) tenkovrstvových elektrolytoch pre polovodičové batérie. ACS Applied Energy Materials, 2019, 2(7):4782-4791.
[7] DENG Y, EAMES C, CHOTARD JN, et al. Štrukturálne a mechanické pohľady na rýchlu lítium-iónovú vodivosť v tuhých elektrolytoch Li4SiO4- Li3PO4. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(28):9136-9145.
[8] CHEN R, SONG X. Iónová vodivosť pevných elektrolytov pre systémy Li4+xMxSi1-xO4-yLi2O (M=Al, B). Journal of the Chinese Chemical Society, 2002, 49:7-10.
[9] ADNAN S, MOHAMED N S. Účinky substitúcie Sn na vlastnosti keramického elektrolytu Li4SiO4. Solid State Ionics, 2014, 262:559-562.
[10] SUN S, XIA Q, LIU J a kol. Samostatne stojace polia nanovločiek MoO3-x s nedostatkom kyslíka ako 3D katóda pre pokročilé tenkovrstvové lítiové batérie v tuhom stave. Journal of Materiomics, 2019, 5(2):229-236.
[11] DING W, LU W, DENG X a kol. Štúdia XPS o štruktúre SiNx filmu naneseného mikrovlnným ECR magnetrónovým naprašovaním. Acta Physica Sinica, 2009, 58(6):4109-4116.
[12] KIM H, KIM Y. Čiastočná nitridácia Li4SiO4 a iónová vodivosť Li4. 1Si03. 9N0. 1Ceramics International, 2018, 44(8):9058-9062.
[13] MARIKO M, HIDEMASA K, TOMOYUKI O, et al. Analýza SiO anód pre lítium-iónové batérie. Journal of The Electrochemical Society, 2005, 152 (10): A2089.
[14] FINGERLE M, BUCHHEIT R, SICOLO S, a kol. Tvorba reakčnej a priestorovej vrstvy náboja na rozhraní LiCoO2-LiPON: pohľad na tvorbu defektov a vyrovnanie úrovne energie iónov pomocou kombinovaného prístupu povrchovej vedy a simulácie. Chemické materiály, 2017, 29(18):7675-7685.
[15] WEST W, HOOD Z, ADHIKARI S, et al. Zníženie odporu prenosu náboja na rozhraní pevný elektrolyt-elektróda pulzným laserovým nanášaním vrstiev z kryštalického zdroja Li2PO2N. Journal of Power Sources, 2016, 312:116-122.
[16] SICOLO S, FINGERLE M, HAUSBRAND R, et al. Medzifázová nestabilita amorfného LiPONu voči lítiu: kombinovaná teória funkcie hustoty a spektroskopická štúdia. Journal of Power Sources, 2017, 354:124-133.
[17] WU F, LIU Y, CHEN R, a kol. Príprava a výkon nového tenkovrstvového elektrolytu Li-Ti-Si-PON pre tenkovrstvové lítiové batérie. Journal of Power Sources, 2009, 189(1):467-470.
[18] PUT B, VEREECKEN M, MEERSSCHAUT J, et al. Elektrická charakterizácia ultratenkých RF-naprašovaných LiPON vrstiev pre nanobatérie. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(11):7060-7069.
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Vedenie Li+ vo filmoch Li-Nb-O uložených metódou Sol-Gel. Solid State Ionics, 2016, 285:13-18.
[20] SONG S, LEE K, PARK H. Vysokovýkonné flexibilné celopevné mikrobatérie na báze pevného elektrolytu oxynitridu bóru lítneho. Journal of Power Sources, 2016, 328:311-317.
[21] OHTSUKA H, OKADA S, YAMAKI J. Pevná batéria s tenkým filmom pevného elektrolytu Li2O-V2O5-SiO2. Solid State Ionics, 1990,40-41:964-966.
[22] Kalita D, Lee S, Lee K a kol. Vlastnosti iónovej vodivosti amorfného pevného elektrolytu Li-La-Zr-O pre tenkovrstvové batérie. Solid State Ionics, 2012, 229:14-19.
[23] SAKURAI Y, SAKUDA A, HAYASHI A, et al. Príprava amorfných tenkých vrstiev Li4SiO4-Li3PO4 pulznou laserovou depozíciou pre celopevné lítiové sekundárne batérie. Solid State Ionics, 2011, 182:59-63.
[24] TAN G, WU F, LI L, a kol. Príprava tenkovrstvových elektrolytov na báze fosforečnanu lítneho, hliníka a titánu magnetrónovým naprašovaním pre celopevné lítium-iónové batérie. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(5):3817-3826.
[25] YU X, BATES JB, JELLISON G a kol. Stabilný tenkovrstvový lítiový elektrolyt: lítium-fosforoxynitrid. Journal of The Electrochemical Society, 1997, 144 (2): 524.
[26] KIM H, COOK J, LIN H, a kol. Kyslíkové voľné miesta zlepšujú vlastnosti pseudokapacitného skladovania náboja MoO3-x. Prírodné materiály, 2017, 16:454-460.
[27] SONG H, WANG S, SONG X a kol. Solárne poháňané polovodičové lítium-vzduchové batérie pracujúce pri extrémne nízkych teplotách. Energy & Environmental Science, 2020, 13(4):1205-1211.
[28] WANG Z, LEE J, XIN H, a kol. Účinky medzifázovej vrstvy katódového elektrolytu (CEI) na dlhodobé cyklovanie tenkovrstvových batérií v tuhom stave. Journal of Power Sources, 2016, 324:342-348.
[29] QIAO Y, DENG H, HE P a kol. Lítium-kovový článok s kapacitou 500 Wh/kg na báze aniónového redoxu. Joule, 2020, 4(6):1311-1323.