CN109390633A - 一种微型固态薄膜锂电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型固态薄膜锂电池的制备方法。本发明属于化学电源技术领域。一种微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特点是：微型固态薄膜锂电池的结构为玻璃/Al/V2O5/LiPON/Li/Cu；制备过程包括：采用磁控溅射法，沉积金属Al薄膜作为正极集流体，沉积V2O5薄膜作为正极薄膜；采用原子层沉积技术，沉积锂磷氧氮薄膜对正极薄膜进行修饰；采用磁控溅射技术，沉积锂磷氧氮固态电解质薄膜，沉积金属Li薄膜作为负极，最终完成微型固态薄膜锂电池的制备。本发明对微型固态薄膜锂电池正极/电解质薄膜界面进行了原子尺寸的修饰，能有效改善界面接触效果，降低电池阻抗，提高电池性能。
Description
技术领域
本发明属于化学电源技术领域，特别是涉及一种微型固态薄膜锂电池的制备方法。
背景技术
目前，微型固态薄膜锂电池具有超薄、超轻、高安全性、可集成、可柔性化等特点，将在微系统以及可折叠、可穿戴装备、物联网等领域具有非常广阔的应用前景。因此，全固态薄膜锂电池的研究引起了各国广泛的关注。目前，比较常见的全固态薄膜锂电池的制备方法是采用化学或物理气相沉积技术依次实现薄膜电池正极及集流体薄膜、电解质薄膜、负极及集流体薄膜的沉积，最终完成薄膜电池的制备。磁控溅射技术具有薄膜生长速率快、操作简单等显著特点，是薄膜电池制备的成熟技术。但在实际研制过程中，采用磁控溅射技术生长的正极薄膜表面往往不是理想中的那样光滑、平整，会存在许多大小不一的“颗粒”、“凹槽”以及“尖峰”(如图2所示)，而后续同样采用磁控溅射技术制备的电解质薄膜无法完全覆盖这些缺陷，因此会导致正极薄膜同固态电解质薄膜之间界面接触不好、成为电池阻抗的主要来源、甚至有些“尖峰”会使电池发生短路，影响电池的性能。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种微型固态薄膜锂电池的制备方法。
本发明的目的是提供一种具有能有效改善固态薄膜电池正极/电解质界面接触效果，有效降低全固态薄膜锂电池阻抗，提高电池性能等特点的微型固态薄膜锂电池的制备方法。
本发明针对目前磁控溅射制备微型固态薄膜锂电池存在的界面问题，在完成正极薄膜沉积后，利用原子层沉积技术“无孔不入”的独特优势，在正极薄膜表面预沉积一定厚度的固态电解质薄膜，随后再采用磁控溅射技术依次完成薄膜电池的制备。
1.本发明微型固态薄膜锂电池的结构为玻璃/Al/V2O5/LiPON/Li/Cu，如图1所示，衬底为经超声清洗后的载玻片，电池各功能层薄膜通过更换不同的掩模板设计成不同的形状和尺寸。
2.本发明在完成正极薄膜的沉积后，采用原子层沉积技术分别以LiHMDS为锂源、TMPO为磷源，沉积制备锂磷氧氮修饰层。
3.本发明采用磁控溅射法，沉积金属Al薄膜作为正极集流体，沉积V2O5薄膜作为正极薄膜。采用原子层沉积技术，沉积锂磷氧氮薄膜对正极薄膜进行修饰。采用磁控溅射技术，沉积锂磷氧氮固态电解质薄膜，沉积金属Li薄膜作为负极，最终完成微型固态薄膜锂电池的制备。
本发明微型固态薄膜锂电池的制备方法所采取的技术方案是：
一种微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特点是：微型固态薄膜锂电池的结构为玻璃/Al/V2O5/LiPON/Li/Cu；制备过程包括：采用磁控溅射法，沉积金属Al薄膜作为正极集流体，沉积V2O5薄膜作为正极薄膜；采用原子层沉积技术，沉积锂磷氧氮薄膜对正极薄膜进行修饰；采用磁控溅射技术，沉积锂磷氧氮固态电解质薄膜，沉积金属Li薄膜作为负极，最终完成微型固态薄膜锂电池的制备。
本发明微型固态薄膜锂电池的制备方法还可以采用如下技术方案：
所述的微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特点是：沉积锂磷氧氮薄膜对正极薄膜进行修饰时，在完成正极薄膜的沉积后，采用原子层沉积技术分别以LiHMDS为锂源、TMPO为磷源，沉积制备锂磷氧氮修饰层。
所述的微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特点是：沉积金属Al薄膜厚度为0.15－0.25μm，沉积V2O5薄膜厚度为0.1-0.5μm；采用磁控溅射技术，溅射沉积LiPON固态电解质薄膜，薄膜厚度为0.5-1.0μm；沉积金属Li薄膜作为负极时，真空蒸发法蒸发沉积Li负极薄膜，薄膜厚度为0.5-1.0μm。
本发明具有的优点和积极效果是：
微型固态薄膜锂电池的制备方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明对微型固态薄膜锂电池正极/电解质薄膜界面进行了原子尺寸的修饰，能有效改善界面接触效果，降低电池阻抗，提高电池性能。
附图说明
图1是本发明微型固态薄膜锂电池的结构示意图；
图2是磁控溅射制备的钒氧化物正极薄膜表面形貌图。
图中，1－正极薄膜，2－负极及集流体薄膜，3－电解质薄膜，4－正极集流体薄膜，5－衬底。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1。
实施例1
一种微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特征是：微型固态薄膜锂电池的结构为玻璃/Al/V2O5/LiPON/Li/Cu。其制备过程：
微型固态薄膜锂电池的制备，采用“原位”的连续化沉积系统，该系统由工作腔室A、B、C、D、E以及手套箱组成，各腔室通过中央传输室相连，由位于中央传输室内的机械手负责完成样品在各个腔室之间的转移，实现微型固态薄膜锂电池各功能层薄膜的连续化沉积制备。以普通玻璃为衬底，在工作腔室A完成正极集流体的沉积，后经机械手将样品转移至手套箱完成掩膜板的更换，之后再经机械手转移至工作腔室B完成正极薄膜的沉积。类似依次在工作腔室C原子层沉积系统完成电解质薄膜的预沉积，在工作腔室D完成电解质薄膜的沉积，在腔室E完成金属负极薄膜的沉积。最终，采用LAND测试系统在手套箱内对微型固态薄膜锂电池进行充放电测试。
1.正极集流体薄膜的制备：
以普通玻璃为衬底并转移至工作腔室A，采用直流磁控溅射法，以高纯金属Al为靶材(纯度≥4N)，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.5Pa，溅射功率90W，溅射沉积金属Al薄膜，厚度控制在0.2μm。
2.正极薄膜的制备：
将上述样品转移至工作腔室B，继续溅射沉积正极薄膜。采用射频磁控溅射法，以高纯V2O5为靶材(纯度≥4N)，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.3Pa，溅射功率100W，溅射沉积V2O5正极薄膜，厚度控制在0.1-0.5μm。
3.固态电解质薄膜的预沉积制备：
将上述样品转移至工作腔室C，对正极表面预先沉积一层超薄电解质薄膜。采用原子层沉积技术，分别以LiHMDS为锂源、TMPO为前躯体源，反应温度300℃，沉积约10nm的LiPON修饰层，对正极表面的“突起”、“凹槽”、“尖峰”等缺陷进行包覆。
4.磁控溅射制备固态电解质薄膜：
将上述样品转移至工作腔室D，继续溅射沉积固态电解质薄膜，采用磁控溅射法以高纯Li3PO4为靶材(纯度均≥4N)，溅射气体为高纯N2，工作气压为0.5Pa，溅射功率为70W，溅射沉积LiPON薄膜，厚度控制在0.5-1.0μm。
5.负极及负极集流体薄膜的制备：
将上述样品转移至工作腔室E，继续真空蒸发沉积金属Li负极薄膜。采用真空蒸发法，以高纯金属Li片为原材料，蒸发沉积Li负极薄膜，厚度控制在0.5-1.0μm。随后关闭，金属锂蒸发源，打开金属Cu蒸发源，蒸发沉积Cu负极集流体薄膜，最终完成微型固态薄膜锂电池的制备，并将样品转移至手套箱。
微型固态薄膜锂电池的电化学性能测试：
采用LAND测试系统对本发明电池样品在2.0-3.5V电压范围内，10μA/cm2恒电流充放电循环测试，电池循环300次，放电容量超过50μAh/cm2，电池均能进行正常充放电，未出现短路情况。表明该发明技术对正极/电解质界面进行了很好的修饰。
Claims (3)
1.一种微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特征是：微型固态薄膜锂电池的结构为玻璃/Al/V2O5/LiPON/Li/Cu；制备过程包括：采用磁控溅射法，沉积金属Al薄膜作为正极集流体，沉积V2O5薄膜作为正极薄膜；采用原子层沉积技术，沉积锂磷氧氮薄膜对正极薄膜进行修饰；采用磁控溅射技术，沉积锂磷氧氮固态电解质薄膜，沉积金属Li薄膜作为负极，最终完成微型固态薄膜锂电池的制备。
2.根据权利要求1所述的微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特征是：沉积锂磷氧氮薄膜对正极薄膜进行修饰时，在完成正极薄膜的沉积后，采用原子层沉积技术分别以LiHMDS为锂源、TMPO为磷源，沉积制备锂磷氧氮修饰层。
3.根据权利要求1或2所述的微型固态薄膜锂电池的制备方法，其特征是：沉积金属Al薄膜厚度为0.15－0.25μm，沉积V2O5薄膜厚度为0.1-0.5μm；采用磁控溅射技术，溅射沉积LiPON固态电解质薄膜，薄膜厚度为0.5-1.0μm；沉积金属Li薄膜作为负极时，真空蒸发法蒸发沉积Li负极薄膜，薄膜厚度为0.5-1.0μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190226 |
|
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