CN111129435A - 一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法 - Google Patents
一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111129435A CN111129435A CN201911326014.1A CN201911326014A CN111129435A CN 111129435 A CN111129435 A CN 111129435A CN 201911326014 A CN201911326014 A CN 201911326014A CN 111129435 A CN111129435 A CN 111129435A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- thin film
- depositing
- modification layer
- lithium battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 57
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 52
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 52
- 238000012986 modification Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 230000004048 modification Effects 0.000 title claims abstract description 44
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 48
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 47
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 45
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 22
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 20
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 14
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 12
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 10
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 10
- 229910012305 LiPON Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910032387 LiCoO2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000572 Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide (NCM) Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QTHKJEYUQSLYTH-UHFFFAOYSA-N [Co]=O.[Ni].[Li] Chemical compound [Co]=O.[Ni].[Li] QTHKJEYUQSLYTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RLTFLELMPUMVEH-UHFFFAOYSA-N [Li+].[O--].[O--].[O--].[V+5] Chemical compound [Li+].[O--].[O--].[O--].[V+5] RLTFLELMPUMVEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- YWJVFBOUPMWANA-UHFFFAOYSA-H [Li+].[V+5].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O Chemical compound [Li+].[V+5].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O YWJVFBOUPMWANA-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 2
- FBDMTTNVIIVBKI-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Mn+2].[Co+2].[Ni+2].[Li+] Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Co+2].[Ni+2].[Li+] FBDMTTNVIIVBKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FDLZQPXZHIFURF-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Ti+4].[Li+] Chemical compound [O-2].[Ti+4].[Li+] FDLZQPXZHIFURF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N dilithium;dioxido(dioxo)manganese Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Mn]([O-])(=O)=O QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 2
- FRMOHNDAXZZWQI-UHFFFAOYSA-N lithium manganese(2+) nickel(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Ni+2].[Li+] FRMOHNDAXZZWQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010445 mica Substances 0.000 claims description 2
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 claims description 2
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 38
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 229910001386 lithium phosphate Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 206010063385 Intellectualisation Diseases 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N cadmium nickel Chemical compound [Ni].[Cd] OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
- H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/058—Construction or manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
- H01M4/1397—Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
本发明属于化学电源技术领域，特别是涉及用于一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，包括如下步骤，S1、在基底上沉积金属作为缓冲层；S2、在缓冲层上沉积金属作为集流体；S3、在S2中金属上沉积正极薄膜；将沉积好的正极薄膜放置退火炉中；S4、采用原子层沉积技术，以三甲基铝，四乙氧基硅烷，四异丙醇钛中的一种或多种组合作为前躯体、去离子水为氧源，反应温度200℃，在正极薄膜表面沉积5‑20nm厚度的界面修饰层，对退火后的正极薄膜表面进行包覆。膜锂电池界面修饰层，由于采用原子力沉积法制备薄膜修饰层，此薄膜修饰层比较致密，修饰了高温退火过程中正极薄膜形成的微小裂缝，降低了电池内部短路情况，提高了电池性能。
Description
技术领域
本发明属于化学电源技术领域，特别是涉及用于一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法。
背景技术
随着信息化和智能化的不断进步、微型化器件、物联网节点、智能尘埃以及可穿戴电子产品的不断发展，迫切需求体积小、重量轻、容量高、循环寿命长以及高安全性的微型电源。薄膜锂电池作为微型电源具有更小的体积、更长的使用寿命、更好的稳定性和安全性，它在军事、通讯、空间等领域都有广阔的应用前景。小尺寸的微型电池在微电子机械系统(MEMS)和微型芯片领域发展迅速，其是一种一体化的微型器件系统，由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成。因而，电源系统必须能投在一般条件下集成在电路芯片上，要求电源系统微型化、薄膜化和全固态化。
固态二次电池由于高安全性、高比能和长寿命的特性，是目前化学电源重要的研究方向。全固态薄膜锂电池作为一种固态二次电池，由于体积小、重量轻、寿命长等优点而备受关注。1983年Kanehori等开发出第一个全固态薄膜锂电池，至1993年橡树岭国家实验室(ORNL)Bates J B等人开发出LiPON，具有良好的化学稳定性，可耐5V电压，离子电导率高(10-6S/cm)，是当时全固态薄膜锂电池中最佳的电解质薄膜材料。
全固态薄膜锂电池作为能源主要有以下优点：(1)比传统的镍镉、镍氢电池、块状锂电池等具有更高的比容量和能量密度；(2)可以制成任何形状和尺寸，可直接集成在电路中或电子器件上；(3)具有优越的充放电循环性能，自放电率小、无记忆效应；(4)具有很好的安全性能，在工作时无气体产生；(5)具有保护层，将电池材料与大气环境隔开，性能高度稳定；(6)工作温度范围大，可应用于许多极端的场合，如航空、航天、探测等领域。
目前，薄膜锂电池所用的正极薄膜需要高温退火处理形成结晶状态，在高温退火过程中，形成大量裂缝和孔洞，从而使电池的放电容量和循环性能受到限制，并且在长期循环过程中，易形成内部短路，造成电池损坏。这些问题大幅度影响了薄膜锂电池的实际发展和应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法。薄膜锂电池界面修饰层，由于采用原子力沉积法制备薄膜修饰层，此薄膜修饰层比较致密，修饰了高温退火过程中正极薄膜形成的微小裂缝，降低了电池内部短路情况，提高了电池性能。
通过对薄膜锂电池的正极薄膜进行修饰，减少内部微短路和裂缝的程度，进而提高电池的放电容量和循环稳定性。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案为：
一种薄膜锂电池界面修饰层的制备方法，界面修饰层可为氧化铝、氧化硅或氧化钛的一种或多种组合；具体制备工艺过程如下：
S1、在基底上沉积金属作为缓冲层，缓冲层厚度为50-300nm；
S2、在缓冲层上沉积金属作为集流体，集流体厚度为50-300nm；
S3、在S2中金属上沉积正极薄膜，薄膜厚度为500nm-3000nm；将沉积好的正极薄膜放置退火炉中，加热速率为2-10℃/min,由常温加热至500-800℃，保持0.5-2h；
S4、采用原子层沉积技术，以三甲基铝(TMAI)，四乙氧基硅烷(TEOS)，四异丙醇钛(Ti(iPrO)4)中的一种或多种组合作为前躯体、去离子水为氧源，反应温度200℃，在正极薄膜表面沉积5-20nm厚度的界面修饰层，对退火后的正极薄膜表面进行包覆。
进一步，S1所述基底为玻璃、石墨、硅片、不锈钢、云母、钛箔、铝箔、聚酰亚胺、氧化物陶瓷片中的一种。
进一步，S3正极薄膜为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、(锂)钒氧化物、磷酸铁锂、磷酸钒锂、锂镍钴锰氧化物、锂钛氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物中的一种或多种组合。
进一步，S1中制备缓冲层的方法包括：选择一种基底，采用直流磁控溅射法，以高纯金属Ti为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.2Pa，溅射功率50W，溅射沉积金属Ti薄膜作为缓冲层。
进一步，S2中制备集流体的方法包括：基于S1样品，以高纯金属铂为靶材，工作气压为0.2Pa，溅射功率为50W，直流磁控溅射金属铂薄膜作为正极集流体。
进一步，S3中沉积正极薄膜的方法包括：基于S2样品，射频磁控溅射沉积正极薄膜，以高纯LiCoO2为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.3Pa，溅射功率90W。
进一步，S4中沉积修饰层的方法包括：将退火后的正极薄膜放置在原子层沉积设备ALD中，抽真空至0.2Torr，调节腔室温度200℃，管路温度100℃，去离子水蒸气进气0.2s，反应30s，抽真空30s，前驱体进气0.1s，反应30s，抽真空30s，该过程为一个循环，循环30个循环。
进一步，本发明还公开了上述薄膜锂电池的制备方法，包括上述修饰层的基础上依次制备电解质薄膜、负极集流体和负极；具体方法如下：
步骤一、基于S4获得的样品，继续溅射沉积电解质薄膜(LiPON)，电解质薄膜厚度为0.5-1.5μm；
步骤二、基于步骤一样品，以高纯金属Li片为原材料，蒸发沉积Li负极薄膜，负极薄膜厚度为0.5-1.0μm；
步骤三、基于步骤二样品，以金属Cu粒为原材料，蒸发沉积Cu薄膜作为负极集流体，完成微型全固态薄膜锂电池的制备。
更进一步，步骤一中沉积电解质薄膜的方法包括：采用射频磁控溅射法以高纯Li3PO4为靶材，溅射气体为高纯N2，工作气压为0.2Pa，溅射功率为80W。
本发明的优点及积极效果为：
本发明是通过在正极薄膜表面沉积具有一定厚度范围的界面修饰层，在正极薄膜退火结晶过程中，与界面修饰层发生反应，从而改善正极薄膜的微观形貌，达到改善薄膜锂电池电化学性能的作用；性能优良的界面修饰层具有降低薄膜锂电池内阻，减少内部微短路，提高薄膜锂电池的比容量和循环性能。本发明界面修饰层及其制备方法，具有易于制备和大规模生产等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1中薄膜锂电池正极薄膜的表面形貌图；
图2为本发明实施例1中未修饰的薄膜锂电池的充放电容量和循环性能图；
图3为本发明实施例1中修饰层氧化铝的表面形貌图；
图4为本发明实施例1中修饰后薄膜锂电池的充放电容量和循环性能图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、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、图2、图3和图4：
实施例1
一种薄膜锂电池界面修饰层的制备方法，该方法是在基底上依次制备缓冲层、正极集流体、正极薄膜、修饰层；具体制备工艺过程如下：
S1、以普通玻璃为基底，采用直流磁控溅射法，以高纯金属Ti为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.2Pa，溅射功率50W，溅射沉积金属Ti薄膜作为缓冲层，厚度约50nm；
S2、基于S1样品，以高纯金属铂为靶材，工作气压为0.2Pa，溅射功率为50W，直流磁控溅射金属铂薄膜作为正极集流体；集流体厚度为50nm；
S3、基于S2样品，继续射频磁控溅射沉积正极薄膜，以高纯LiCoO2为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.3Pa，溅射功率90W，厚度约0.5-1.5μm，放置于马弗炉以2℃/min的速率由常温升至550℃退火0.5h；
S4、基于S3样品，在正极薄膜表面沉积界面修饰层薄膜：具体的，将退火后的正极薄膜放置在原子层沉积设备ALD中，抽真空至0.2Torr，调节腔室温度200℃，管路温度100℃，去离子水蒸气进气0.2s，反应30s，抽真空30s，三甲基铝(TMAI)进气0.1s，反应30s，抽真空30s，该过程为一个循环，循环30个循环，沉积约5nm的三氧化二铝修饰层，对退火后的正极薄膜表面进行包覆。
上述薄膜锂电池的制备包括在上述步骤基础上进行电解质薄膜、负极集流体和负极的制备，主要包括：
步骤一、基于上述S4样品，继续溅射沉积电解质薄膜(LiPON)，采用射频磁控溅射法以高纯Li3PO4为靶材，溅射气体为高纯N2，工作气压为0.2Pa，溅射功率为80W，厚度约0.5-1.5μm；
步骤二、基于上述步骤一样品，以高纯金属Li片为原材料，蒸发沉积Li负极薄膜，厚度约0.5-1.0μm；
步骤三、基于上述步骤二样品，以金属Cu粒为原材料，蒸发沉积Cu薄膜作为负极集流体，完成微型全固态薄膜锂电池的制备。将上述制备的微型全固态薄膜锂电池，采用Land电池测试系统测试电池放电容量和循环性能，电压范围为3V～4.2V，电流密度为50uA/cm2，测试温度为25℃。
实施例2
一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，该方法是在基底上依次制备缓冲层、正极集流体、正极薄膜、修饰层；具体制备工艺过程如下：
S1、以普通玻璃为基底，采用直流磁控溅射法，以高纯金属Ti为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.2Pa，溅射功率50W，溅射沉积金属Ti薄膜作为缓冲层，厚度约150nm；
S2、基于S1样品，以高纯金属铂为靶材，工作气压为0.2Pa，溅射功率为50W，直流磁控溅射金属铂薄膜作为正极集流体；集流体厚度为150nm；
S3、基于S2样品，继续射频磁控溅射沉积正极薄膜，以高纯LiCoO2为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.3Pa，溅射功率90W，厚度约1.5-2.5μm，放置于马弗炉以6℃/min的速率由常温升至650℃退火1h；
S4、基于S3样品，在正极薄膜表面沉积界面修饰层薄膜：具体的，将退火后的正极薄膜放置在原子层沉积设备ALD中，抽真空至0.2Torr，调节腔室温度200℃，管路温度100℃，去离子水蒸气进气0.2s，反应30s，抽真空30s，四乙氧基硅烷进气0.1s，反应30s，抽真空30s，该过程为一个循环，循环30个循环，沉积约15nm的氧化硅修饰层，对退火后的正极薄膜表面进行包覆。
上述薄膜锂电池的制备包括在上述步骤基础上进行电解质薄膜、负极集流体和负极的制备，主要包括：
步骤一、基于上述S4样品，继续溅射沉积电解质薄膜(LiPON)，采用射频磁控溅射法以高纯Li3PO4为靶材，溅射气体为高纯N2，工作气压为0.2Pa，溅射功率为80W，厚度约0.5-1.5μm；
步骤二、基于上述步骤一样品，以高纯金属Li片为原材料，蒸发沉积Li负极薄膜，厚度约0.5-1.0μm；
步骤三、基于上述步骤二样品，以金属Cu粒为原材料，蒸发沉积Cu薄膜作为负极集流体，完成微型全固态薄膜锂电池的制备。将上述制备的微型全固态薄膜锂电池，采用Land电池测试系统测试电池放电容量和循环性能，电压范围为3V～4.2V，电流密度为50uA/cm2，测试温度为25℃。
实施例3
一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，该方法是在基底上依次制备缓冲层、正极集流体、正极薄膜、修饰层；具体制备工艺过程如下：
S1、以普通玻璃为基底，采用直流磁控溅射法，以高纯金属Ti为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.2Pa，溅射功率50W，溅射沉积金属Ti薄膜作为缓冲层，厚度约300nm；
S2、基于S1样品，以高纯金属铂为靶材，工作气压为0.2Pa，溅射功率为50W，直流磁控溅射金属铂薄膜作为正极集流体；集流体厚度为300nm；
S3、基于上述S2样品，继续射频磁控溅射沉积正极薄膜，以高纯LiCoO2为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.3Pa，溅射功率90W，厚度约2.5-3.0μm，放置于马弗炉以10℃/min的速率由常温升至800℃退火2h；
S4、基于上述S3样品，在正极薄膜表面沉积界面修饰层薄膜：具体的，将退火后的正极薄膜放置在原子层沉积设备ALD中，抽真空至0.2Torr，调节腔室温度200℃，管路温度100℃，去离子水蒸气进气0.2s，反应30s，抽真空30s，四异丙醇钛进气0.1s，反应30s，抽真空30s，该过程为一个循环，循环30个循环，沉积约20nm的氧化钛修饰层，对退火后的正极薄膜表面进行包覆。
上述薄膜锂电池的制备包括在上述步骤基础上进行电解质薄膜、负极集流体和负极的制备，主要包括：
步骤一、基于上述S4样品，继续溅射沉积电解质薄膜(LiPON)，采用射频磁控溅射法以高纯Li3PO4为靶材，溅射气体为高纯N2，工作气压为0.2Pa，溅射功率为80W，厚度约0.5-1.5μm；
步骤二、基于上述步骤一样品，以高纯金属Li片为原材料，蒸发沉积Li负极薄膜，厚度约0.5-1.0μm；
步骤三、基于上述步骤二样品，以金属Cu粒为原材料，蒸发沉积Cu薄膜作为负极集流体，完成微型全固态薄膜锂电池的制备。将上述制备的微型全固态薄膜锂电池，采用Land电池测试系统测试电池放电容量和循环性能，电压范围为3V～4.2V，电流密度为50uA/cm2，测试温度为25℃。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，界面修饰层可为氧化铝、氧化硅或氧化钛的一种或多种组合；其特征在于：包括如下步骤，
S1、在基底上沉积金属作为缓冲层，缓冲层厚度为50-300nm；
S2、在缓冲层上沉积金属作为集流体，集流体厚度为50-300nm；
S3、在S2中金属上沉积正极薄膜，薄膜厚度为500nm-3000nm；将沉积好的正极薄膜放置退火炉中，加热速率为2-10℃/min,由常温加热至500-800℃，保持0.5-2h；
S4、采用原子层沉积技术，以三甲基铝(TMAI)，四乙氧基硅烷(TEOS)，四异丙醇钛(Ti(iPrO)4)中的一种或多种组合作为前躯体、去离子水为氧源，反应温度200℃，在正极薄膜表面沉积5-20nm厚度的界面修饰层，对退火后的正极薄膜表面进行包覆。
2.如权利要求1所述的薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，其特征在于：S1所述基底为玻璃、石墨、硅片、不锈钢、云母、钛箔、铝箔、聚酰亚胺、氧化物陶瓷片中的一种。
3.如权利要求1所述的薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，其特征在于：S3正极薄膜为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、(锂)钒氧化物、磷酸铁锂、磷酸钒锂、锂镍钴锰氧化物、锂钛氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物中的一种或多种组合。
4.如权利要求1所述的薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，其特征在于：S1中制备缓冲层的方法包括：选择一种基底，采用直流磁控溅射法，以高纯金属Ti为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.2Pa，溅射功率50W，溅射沉积金属Ti薄膜作为缓冲层。
5.如权利要求1所述的薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，其特征在于：S2中制备集流体的方法包括：基于S1样品，以高纯金属铂为靶材，工作气压为0.2Pa，溅射功率为50W，直流磁控溅射金属铂薄膜作为正极集流体。
6.如权利要求1所述的薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，其特征在于：S3中沉积正极薄膜的方法包括：基于S2样品，射频磁控溅射沉积正极薄膜，以高纯LiCoO2为靶材，溅射气体为高纯Ar，工作气压为0.3Pa，溅射功率90W。
7.如权利要求1所述的薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法，其特征在于：S4中沉积修饰层的方法包括：将退火后的正极薄膜放置在原子层沉积设备ALD中，抽真空至0.2Torr，调节腔室温度200℃，管路温度100℃，去离子水蒸气进气0.2s，反应30s，抽真空30s，前驱体进气0.1s，反应30s，抽真空30s，该过程为一个循环，循环30个循环。
8.一种薄膜锂电池的制备方法，该方法是在权利要求1至7任一项所述的界面修饰层的基础上进行电解质薄膜、负极集流体和负极的制备，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、基于S4获得的样品，继续溅射沉积电解质薄膜(LiPON)，电解质薄膜厚度为0.5-1.5μm；
步骤二、基于步骤一样品，以高纯金属Li片为原材料，蒸发沉积Li负极薄膜，负极薄膜厚度为0.5-1.0μm；
步骤三、基于步骤二样品，以金属Cu粒为原材料，蒸发沉积Cu薄膜作为负极集流体，完成微型全固态薄膜锂电池的制备。
9.如权利要求8所述的薄膜锂电池的制备方法，其特征在于：步骤一中沉积电解质薄膜的方法包括：采用射频磁控溅射法以高纯Li3PO4为靶材，溅射气体为高纯N2，工作气压为0.2Pa，溅射功率为80W。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911326014.1A CN111129435A (zh) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911326014.1A CN111129435A (zh) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111129435A true CN111129435A (zh) | 2020-05-08 |
Family
ID=70500704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911326014.1A Pending CN111129435A (zh) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111129435A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113488643A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-08 | 陕西科技大学 | 一种锂离子电池三元正极材料表面包覆改性方法 |
| CN114156478A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 厦门韫茂科技有限公司 | 一种包覆共嵌式薄膜的正极材料、制备方法及锂离子电池 |
| CN114335439A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 等离子诱导生长高结晶薄膜电极及薄膜电池的制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61165965A (ja) * | 1986-01-08 | 1986-07-26 | Hitachi Ltd | 高集積化電源素子 |
| CN104701487A (zh) * | 2013-12-10 | 2015-06-10 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于获得高性能硅阳极的纳米复合涂层 |
| US20150180023A1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-06-25 | GM Global Technology Operations LLC | Multifunctional hybrid coatings for electrodes made by atomic layer deposition techniques |
| CN106531949A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-03-22 | 天津瑞晟晖能科技有限公司 | 一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法 |
| CN106663840A (zh) * | 2014-08-28 | 2017-05-10 | 应用材料公司 | 包含用于降低界面电阻和过电位的中间层的电化学装置堆叠 |
| JP2017216054A (ja) * | 2016-05-30 | 2017-12-07 | トヨタ自動車株式会社 | リチウム硫黄電池の製造方法 |
| CN109309145A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-05 | 常州大学 | 一种新型p+/p/n硒化锑薄膜电池的制备方法 |
-
2019
- 2019-12-20 CN CN201911326014.1A patent/CN111129435A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61165965A (ja) * | 1986-01-08 | 1986-07-26 | Hitachi Ltd | 高集積化電源素子 |
| CN104701487A (zh) * | 2013-12-10 | 2015-06-10 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于获得高性能硅阳极的纳米复合涂层 |
| US20150180023A1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-06-25 | GM Global Technology Operations LLC | Multifunctional hybrid coatings for electrodes made by atomic layer deposition techniques |
| CN106663840A (zh) * | 2014-08-28 | 2017-05-10 | 应用材料公司 | 包含用于降低界面电阻和过电位的中间层的电化学装置堆叠 |
| JP2017216054A (ja) * | 2016-05-30 | 2017-12-07 | トヨタ自動車株式会社 | リチウム硫黄電池の製造方法 |
| CN106531949A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-03-22 | 天津瑞晟晖能科技有限公司 | 一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法 |
| CN109309145A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-05 | 常州大学 | 一种新型p+/p/n硒化锑薄膜电池的制备方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113488643A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-08 | 陕西科技大学 | 一种锂离子电池三元正极材料表面包覆改性方法 |
| CN114156478A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 厦门韫茂科技有限公司 | 一种包覆共嵌式薄膜的正极材料、制备方法及锂离子电池 |
| CN114156478B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-09-05 | 厦门韫茂科技有限公司 | 一种包覆共嵌式薄膜的正极材料、制备方法及锂离子电池 |
| CN114335439A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 等离子诱导生长高结晶薄膜电极及薄膜电池的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110676420B (zh) | 一种锂离子电池的补锂隔膜 | |
| CN103904360B (zh) | 一种固态电解质及其制作方法与全固态锂电池 | |
| JP4873925B2 (ja) | リチウムイオン二次電池およびその製造方法 | |
| CN111129435A (zh) | 一种薄膜锂电池及界面修饰层的制备方法 | |
| JP5841014B2 (ja) | 固体電解質薄膜の製造方法、固体電解質薄膜、および固体電池 | |
| CN102769139A (zh) | 一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法 | |
| CN109148894A (zh) | 锂离子电池正极、全固态锂离子电池及其制备方法与用电器件 | |
| CN102800851A (zh) | 一种硅碳复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池 | |
| CN108306009A (zh) | 一种氧化硅碳复合负极材料、其制备方法及锂离子电池 | |
| Liang et al. | Research progress of all solid-state thin film lithium Battery | |
| CN110190240B (zh) | 复合型锂氧化物薄膜及其制备方法与应用 | |
| CN103996821A (zh) | 一种用于锂离子二次电池的负极薄膜及其制备方法与应用 | |
| CN110224118A (zh) | 复合型锰氧化合物薄膜及其制备方法与应用 | |
| CN112875680A (zh) | 一种片状Fe基合金催化生长碳纳米管阵列的制备方法 | |
| CN111129571A (zh) | 一种具有自支撑结构全固态薄膜锂电池及制备方法 | |
| CN110797525A (zh) | 保护型结构硅氧复合与薄膜及其制备方法与应用 | |
| CN113066963B (zh) | 一种全固态薄膜锂电池正极薄膜的制造方法及锂电池 | |
| CN105449168B (zh) | 具有界面修饰层的金属基固态薄膜锂电池正极的制备方法 | |
| CN110176586A (zh) | 复合型钛酸锂薄膜及其制备方法与应用 | |
| CN101246959A (zh) | 一种锂离子二次电池正极薄膜极片的制备方法 | |
| CN104577090A (zh) | 一种碳及氧化物复合改性钛酸锂材料的制备方法 | |
| CN207909976U (zh) | 一种锂电池结构 | |
| CN109565039A (zh) | 氟化锂在锂金属表面的沉积及使用其的锂二次电池 | |
| CN106340626A (zh) | 一种高容量储锂氧化物纳米薄膜复合膨胀石墨材料及其制备方法 | |
| CN101527362A (zh) | 一种全固态薄膜锂电池的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| 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: 20200508 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |