CN111769290A - 氮掺杂的五氧化二铌在二次电池中的应用、全固态薄膜锂离子电池及其制备方法、用电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二次电池领域，具体而言，提供了一种氮掺杂的五氧化二铌在二次电池中的应用、全固态薄膜锂离子电池及其制备方法、用电设备。所述全固态薄膜锂离子电池包括依次设置的基板、氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层。该全固态薄膜锂离子电池具有结构简单、能量密度高和成本低的优点。

Description

氮掺杂的五氧化二铌在二次电池中的应用、全固态薄膜锂离 子电池及其制备方法、用电设备
技术领域
本发明涉及二次电池领域，具体而言，涉及一种氮掺杂的五氧化二铌在二次电池中的应用、全固态薄膜锂离子电池及其制备方法、用电设备。
背景技术
随着微型化以及可穿戴电子产品的兴起，柔性电子随着可穿戴电子产品的兴起正向便携式、可弯折、高效率、低成本和可循环利用方向发展，开发全固态锂电池成为储能领域研究的前沿之一。
薄膜型全固态锂电池是在传统锂离子电池的基础上发展起来的一种新型结构的锂离子电池，其基本工作原理与传统锂离子电池类似，即在充电过程中Li+从正极薄膜脱出，经过电解质在负极薄膜发生还原反应；放电过程则相反。全固态薄膜锂离子电池能够作为电源应用于微电子器件中。
传统的薄膜电池在基板和正极之间设置有二氧化钛和铂分别作为粘附层和正极集流体层，作为正极集流体的金属铂的价格较高，同时还需要采用二氧化钛作为粘附层，电池的结构较为复杂，成本较高。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种氮掺杂的五氧化二铌同时作为粘附层和正极集流体层在二次电池中的应用。
本发明的第二目的在于提供一种全固态薄膜锂离子电池，该全固态薄膜锂离子电池具有结构简单、能量密度高和成本低的优点。
本发明的第三目的在于提供一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法。
本发明的第四目的在于提供一种用电设备。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种氮掺杂的五氧化二铌同时作为粘附层和正极集流体层在二次电池中的应用。
作为进一步优选的技术方案，所述氮掺杂的五氧化二铌中氮的质量百分含量为2％-3％，优选为2.5％-3％。
第二方面，本发明提供了一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层。
作为进一步优选的技术方案，所述氮掺杂的五氧化二铌中氮的质量百分含量为2％-3％，优选为2.5％-3％；
优选地，氮掺杂的五氧化二铌层的厚度为2-5μm，优选为2-4μm。
作为进一步优选的技术方案，所述基板包括金属片；
优选地，所述基板包括不锈钢片。
作为进一步优选的技术方案，所述正极包括钴酸锂和/或锰酸锂；
优选地，所述电解质包括锂的氧化物；
优选地，锂的氧化物包括LiPON；
优选地，所述负极包括金属锂；
优选地，所述正极、电解质和负极的厚度各自独立地为1-3μm。
第三方面，本发明提供了一种上述全固态薄膜锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：在基板表面依次沉积氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，得到全固态薄膜锂离子电池。
作为进一步优选的技术方案，以五氧化二铌为靶材，在通入氮气和惰性气体的条件下，在基板表面溅射得到氮掺杂的五氧化二铌层，其中氮气和惰性气体的流量比为12sccm:36sccm～36sccm:12sccm，优选为12sccm:24sccm～24sccm:12sccm。
作为进一步优选的技术方案，所述溅射的功率为90-110W，优选为95-105W；溅射的时间为4-6h，优选为4.5-5.5h；
优选地，还包括溅射后进行加热和退火，然后得到氮掺杂的五氧化二铌层的步骤，加热温度为180-220℃，加热时间为1-3h，退火温度为580-620℃，退火时间为4-6h；
优选地，加热温度为190-210℃，加热时间为2h；
优选地，退火温度为590-610℃，退火时间为5h。
第四方面，本发明提供了一种用电设备，包括上述全固态薄膜锂离子电池或采用上述制备方法制备得到的全固态薄膜锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
氮掺杂的五氧化二铌兼具优良的粘附力和导电性，能够牢固稳定的与基板和正极材料相粘接，可作为粘附层，且能很好地汇集电流，保证电流稳定高效的在电池与用电器或电源之间传输，可作为正极集流体；本发明采用氮掺杂的五氧化二铌同时作为粘附层和正极集流体层，将现有的二次电池中的两个要素(粘附层和正极集流体层)省略为一种，从而减少了一个部件的体积和重量，使得电池的能量密度更高，结构更加简单，制作成本更低；另外，相对于贵金属铂来说，氮掺杂的五氧化二铌的价格更低，从而能有效降低原料成本。
本发明提供的全固态薄膜锂离子电池采用氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层，将现有的全固态薄膜锂离子电池中的两个要素(粘附层和正极集流体层)省略为一种，从而减少了一个部件的体积和重量，能量密度更高，结构更加简单，制作成本更低；并且，氮掺杂的五氧化二铌层兼具优良的粘附力和导电性，能够牢固稳定的粘附于基板上，且很好的汇集电流，保证电流稳定高效的在电池与用电器或电源之间传输；另外，相对于贵金属铂来说，氮掺杂的五氧化二铌的价格更低，从而能有效降低原料成本。
本发明提供的全固态薄膜锂离子电池的制备方法工艺简单，成本低廉，适合工业化生产，制备得到的全固态薄膜锂离子电池具有能量密度高、结构简单和成本低廉的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例23中全固态薄膜锂离子电池截面的扫面电镜图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
需要说明的是：
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“2％-3％”表示本文中已经全部列出了“2％-3％”之间的全部实数，“2％-3％”只是这些数值组合的缩略表示。
本发明中，除非另有说明，各个操作步骤可以顺序进行，也可以不按照顺序进行。优选地，本文中的操作步骤是顺序进行的。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
根据本发明的一个方面，在至少一个实施例中提供了一种氮掺杂的五氧化二铌同时作为粘附层和正极集流体层在二次电池中的应用。
需要说明的是：
上述“氮掺杂的五氧化二铌”是指晶格中掺杂了一定量的氮原子的五氧化二铌。
上述“二次电池”是指能够进行充电和放电的电池，电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活能够继续使用，包括但不限于锂离子电池、锂离子聚合物电池、钠离子电池、铝空气电池或镁电池等。
氮掺杂的五氧化二铌同时作为粘附层和正极集流体层，将现有的二次电池中的两个要素(粘附层和正极集流体层)省略为一种，从而减少了一个部件的体积和重量，使得电池的能量密度更高，结构更加简单，制作成本更低；并且，氮掺杂的五氧化二铌兼具优良的粘附力和导电性，能够牢固稳定的与基板和正极材料相粘接，且能很好地汇集电流，保证电流稳定高效的在电池与用电器或电源之间传输；另外，相对于贵金属铂来说，氮掺杂的五氧化二铌的价格更低，从而能有效降低原料成本。
在一种优选的实施方式中，所述氮掺杂的五氧化二铌中氮的质量百分含量为2％-3％，优选为2.5％-3％。上述“质量百分含量”是指氮在氮掺杂的五氧化二铌中的质量百分含量。上述质量百分含量典型但非限制性的为2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、 2.8％、2.9％或3％。经验证，当氮的质量百分含量在以上范围内时，氮掺杂的五氧化二铌的电导率更高(电导率为2-5×10-2S cm-1)，且粘附性更好。
根据本发明的另一方面，在至少一个实施例中提供了一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层。
需要说明的是：
上述“氮掺杂的五氧化二铌”是指晶格中掺杂了一定量的氮原子的五氧化二铌。
上述“全固态薄膜锂离子电池”是指薄膜化的固态锂离子电池，是指利用各种成膜技术在衬底上依次沉积粘附层、正极集流体、正极、电解质、负极和负极集流体所制成的电池。
上述“基板”包括但不限于玻璃、陶瓷、硅片、塑料或金属片等。
上述“正极”包括但不限于钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或镍钴锰酸锂等。
上述“电解质”包括但不限于锂的聚合物、锂的氧化物或锂的硫化物等。上述“锂的聚合物”是指锂盐与聚合物组成的体系，“锂的氧化物”是指含锂元素的氧化物，“锂的硫化物”是指含锂元素的硫化物。
上述“负极”包括但不限于金属锂、碳材料、Li4Ti5O12、硅负极或锡负极等。
上述全固态薄膜锂离子电池采用氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层，将现有的全固态薄膜锂离子电池中的两个要素(粘附层和正极集流体层)省略为一种，从而减少了一个部件的体积和重量，能量密度更高，结构更加简单，制作成本更低；并且，氮掺杂的五氧化二铌层兼具优良的粘附力和导电性，能够牢固稳定的粘附于基板上，且很好的汇集电流，保证电流稳定高效的在电池与用电器或电源之间传输；另外，相对于贵金属铂来说，氮掺杂的五氧化二铌的价格更低，从而能有效降低原料成本。
在一种优选的实施方式中，所述氮掺杂的五氧化二铌中氮的质量百分含量为2％-3％，优选为2.5％-3％。上述“质量百分含量”是指氮在氮掺杂的五氧化二铌中的质量百分含量。上述质量百分含量典型但非限制性的为2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、 2.8％、2.9％或3％。经验证，当氮的质量百分含量在以上范围内时，氮掺杂的五氧化二铌的电导率更高(电导率为2-5×10-2S cm-1)，且粘附性更好。
在一种优选的实施方式中，氮掺杂的五氧化二铌层的厚度为 2-5μm，优选为2-4μm。上述厚度典型但非限制性的为2μm、2.2μm、 2.4μm、2.6μm、2.8μm、3μm、3.2μm、3.4μm、3.6μm、3.8μm、4μm、 4.2μm、4.4μm、4.6μm、4.8μm或5μm。在上述厚度下，电池的倍率性能较好，能量密度较高。厚度过大，会导致电池的能量密度下降；厚度过小，会降低电池的倍率性能。
在一种优选的实施方式中，所述基板包括金属片。上述金属片包括但不限于铜片、铝片或不锈钢片。现有的全固态薄膜锂离子电池的基板多采用硅片，硅片不具有柔性且价格也相对较高，由此导致传统电池的柔性不佳且造价较高。本优选实施方式选用金属片作为基板，不仅能够提高电池的柔性，还能进一步降低成本。
优选地，所述基板包括不锈钢片。经验证，氮掺杂的五氧化二铌层与不锈钢片的粘附效果更好，经多次充放电循环后，电池的容量仍保持较高水平，电池的循环寿命更长。
在一种优选的实施方式中，所述正极包括钴酸锂和/或锰酸锂。钴酸锂和锰酸锂与氮掺杂的五氧化二铌的结合更加牢固，正极不易脱落，电池稳定性更高。上述正极包括钴酸锂、锰酸锂或钴酸锂和锰酸锂的混合物。
在一种优选的实施方式中，所述电解质包括锂的氧化物；优选地，锂的氧化物包括LiPON。LiPON(锂磷氧氮)具有优秀的综合性能，室温离子导电率为2.3×10-6S/cm，电化学窗口为5.5V(vs.Li/Li+)，热稳定性较好。
在一种优选的实施方式中，所述负极包括金属锂。金属锂具有超高的比容量(3860mAh/g)和非常低的电化学电位(-3.04V)的优点，并且其对正极材料的选择面更宽，能适用于各种正极材料，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气。
优选地，所述正极、电解质和负极的厚度各自独立地为1-3μm。上述厚度典型但非限制性的为1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、 2μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm或3μm。在上述厚度下，电池的能量密度和功率密度均较高。厚度过大，会导致电池的功率密度下降；厚度过小，会降低电池的能量密度。
根据本发明的另一方面，在至少一个实施例中提供了一种上述全固态薄膜锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：在基板表面依次沉积氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，得到全固态薄膜锂离子电池。上述制备方法工艺简单，成本低廉，适合工业化生产，制备得到的全固态薄膜锂离子电池具有能量密度高、结构简单和成本低廉的优点。
在一种优选的实施方式中，以五氧化二铌为靶材，在通入氮气和惰性气体的条件下，在基板表面溅射得到氮掺杂的五氧化二铌层，其中氮气和惰性气体的流量比为12sccm:36sccm～36sccm:12sccm，优选为12sccm:24sccm～24sccm:12sccm。
本优选实施方式中以五氧化二铌为靶材，通过特定的氮气和惰性气体的体积比，在基板表面溅射得到氮掺杂的五氧化二铌层，其中，惰性气体用于轰击靶材，溅射出五氧化二铌，氮气与溅射出的五氧化二铌作用形成氮掺杂的五氧化二铌，沉积到基板上形成氮掺杂的五氧化二铌层。
上述流量比可选12sccm:36sccm、18:sccm:36sccm、20sccm:36 sccm、36sccm:36sccm、36sccm:24sccm、12sccm:24sccm、24sccm:12 sccm或36sccm:12sccm等。
上述惰性气体包括但不限于氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。为了提高溅射率并降低成本，惰性气体优选为氩气。
优选地，上述溅射的功率为90-110W，优选为95-105W；溅射的时间为4-6h，优选为4.5-5.5h。上述溅射的功率典型但非限制性的为90W、92W、94W、96W、98W、100W、102W、104W、106W、108W或110W。上述溅射的时间典型但非限制性的为4h、 4.2h、4.4h、4.6h、4.8h、5h、5.2h、5.4h、5.6h、5.8h或6h。在上述功率和时间内，能够得到厚度合理的氮掺杂的五氧化二铌层，保证电池的能力密度和倍率性能。
可选地，靶基距为4-6cm，例如可以为4cm、4.2cm、4.4cm、4.6cm、 4.8cm、5cm、5.2cm、5.4cm、5.6cm、5.8cm或6cm。
优选地，还包括溅射后进行加热和退火，然后得到氮掺杂的五氧化二铌层的步骤，加热温度为180-220℃，加热时间为1-3h，退火温度为580-620℃，退火时间为4-6h。上述加热温度典型但非限制性的为180℃、182℃、184℃、186℃、188℃、190℃、192℃、194℃、 196℃、198℃、200℃、202℃、204℃、206℃、208℃、210℃、212℃、 214℃、216℃、218℃或220℃；上述退火温度典型但非限制性的为 580℃、582℃、584℃、586℃、588℃、590℃、592℃、594℃、596℃、 598℃、600℃、602℃、604℃、606℃、608℃、610℃、612℃、614℃、 616℃、618℃或620℃。上述加热时间典型但非限制性的为1h、1.5h、 2h、2.5h或3h；上述退火时间典型但非限制性的为4h、4.5h、5h、 5.5h或6h。在溅射后通过特定工艺条件下的加热和退火，能够得到与基板的结合更加牢固的氮掺杂的五氧化二铌层，并且，氮掺杂的五氧化二铌层的电导率更高，因此更加有利于电池电化学性能的提高。
优选地，加热温度为190-210℃，加热时间为2h；
优选地，退火温度为590-610℃，退火时间为5h。
需要说明的是，上述正极、电解质和负极采用本领域能够实现的方式沉积得到，本发明对其沉积方式不做特别限制，例如可采用热蒸发沉积。另外，在对基板进行溅射之前还包括对基板进行清洗和干燥的步骤，采用本领域能够实现的方式即可，本发明对此不做特别限制，例如可采用丙酮、乙醇和超纯水对基板清洗，去除上面吸附的有机物等杂质，然后在真空烘箱中60度2小时烘干。
根据本发明的另一方面，在至少一个实施例中提供了一种用电设备，包括上述全固态薄膜锂离子电池或采用上述制备方法制备得到的全固态薄膜锂离子电池。上述用电设备至少具有与上述全固态薄膜锂离子电池相同的优势，因而具有能量密度高、结构简单和成本低的优点。
需要说明的是，上述用电设备包括但不限于电子装置、电动工具、电动车辆或电力储存系统等。电子装置是使用全固态薄膜锂离子电池作为操作电源执行各种功能(例如，演奏音乐)的电子装置。电动工具是使用全固态薄膜锂离子电池作为驱动电源移动部件(例如，钻头) 的电动工具。电动车辆是依靠全固态薄膜锂离子电池作为驱动电源运行的电动车辆(包括电动自行车、电动汽车)，并且可以是除了全固态薄膜锂离子电池之外还装备有其他驱动源的汽车(包括混合动力车)。电力储存系统是使用全固态薄膜锂离子电池作为电力储存源的电力储存系统，例如，在家用电力储存系统中，使电力储存在用作电力储存源的全固态薄膜锂离子电池中，并且根据需要消耗储存在全固态薄膜锂离子电池中的电力以能够使用诸如家用电子产品的各种装置。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层，氮掺杂的五氧化二铌中氮的掺杂量为 1.5％，氮掺杂的五氧化二铌层的厚度为1μm；
基板为硅片，正极为磷酸铁锂，电解质为LIPON，负极为金属锂，正极、电解质和负极的厚度均为4μm。
实施例2-5
一种全固态薄膜锂离子电池，与实施例1不同的是，实施例2-5 中氮掺杂的五氧化二铌中氮的掺杂量分别为4％、2％、2.5％和3％。
实施例3中氮的掺杂量在本发明优选范围内，实施例4-5中氮的掺杂量在本发明进一步优选范围内。
实施例6-10
一种全固态薄膜锂离子电池，与实施例5不同的是，实施例6-10 中氮掺杂的五氧化二铌层的厚度分别为6μm、5μm、2μm、4μm或3μm。
实施例7中氮掺杂的五氧化二铌层的厚度在本发明优选范围内，实施例8-10中氮掺杂的五氧化二铌层的厚度在本发明进一步优选范围内。
实施例11
实施例11所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
(a)以五氧化二铌为靶材，在通入氮气和氩气的条件下，在基板表面溅射得到氮掺杂的五氧化二铌层，其中氮气的体积流量为 40sccm，氩气的体积流量为12sccm；溅射功率为120W，溅射时间为 3h；
(b)在氮掺杂的五氧化二铌层表面依次热蒸发沉积正极、电解质和负极，得到全固态薄膜锂离子电池。
实施例12-15
一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，与实施例11不同的是，实施例12～15中，氮气的体积流量分别为12sccm、12sccm 24sccm、 36sccm，氩气的体积流量分别为36sccm、24sccm、12sccm、12sccm。
实施例12～15中氮气和氩气的体积流量比在本发明优选范围内，实施例13、14中氮气和氩气的体积流量比在本发明进一步优选范围内。
实施例16-19
一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，与实施例15不同的是，实施例16～19中，溅射功率分别为90W、110W、105W和100W，溅射时间分别为4h、6h、4.5h和5h。
实施例16、17中的溅射功率和溅射时间均在本发明优选范围内，实施例18、19中的溅射功率和溅射时间均在本发明进一步优选范围内。
实施例20-23
一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，与实施例19不同的是，实施例20～23中，在溅射后还包括加热和退火的步骤，然后得到氮掺杂的五氧化二铌层，加热温度分别为180℃、220℃、190℃和200℃，加热时间分别为1h、3h、2.5h和2h，退火温度分别为580℃、620℃、610℃和600℃，退火时间为4h、6h、5.5h和5h。
实施例22、23中的加热温度、加热时间、退火温度和退火时间均在本发明进一步优选范围内。
图1为实施例23中全固态薄膜锂离子电池截面的扫面电镜图，从图中可以看出，氮掺杂的五氧化二铌层与不锈钢基片紧密结合，氮掺杂的五氧化二铌层的厚度为3μm。
对比例1
一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、粘附层、正极集流体层、正极、电解质和负极，粘附层为二氧化钛，厚度为1μm，正极集流体层为金属铂，厚度为1μm；
基板为硅片，正极为磷酸铁锂，电解质为LIPON，负极为金属锂，正极、电解质和负极的厚度均为4μm。
对比例2
一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层，五氧化二铌层的厚度为1μm；
基板为硅片，正极为磷酸铁锂，电解质为LIPON，负极为金属锂，正极、电解质和负极的厚度均为4μm。
对比例3
一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、铝掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述铝掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层，铝掺杂的五氧化二铌中铝的掺杂量为1.5％，铝掺杂的五氧化二铌层的厚度为1μm；
基板为硅片，正极为磷酸铁锂，电解质为LIPON，负极为金属锂，正极、电解质和负极的厚度均为4μm。
对比例4
一种全固态薄膜锂离子电池，包括依次设置的基板、钒掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述钒掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层，钒掺杂的五氧化二铌中钒的掺杂量为1.5％，钒掺杂的五氧化二铌层的厚度为1μm；
基板为硅片，正极为磷酸铁锂，电解质为LIPON，负极为金属锂，正极、电解质和负极的厚度均为4μm。
性能测试
采用恒电流充放电方法对各实施例和各对比例中的全固态薄膜锂离子电池进行性能测试，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0002628107280000141
Figure BDA0002628107280000151
Figure BDA0002628107280000161
从表1中可知，实施例1-14中各电池的综合电性能均优于对比例1-4，由此说明，本发明提供的全固态薄膜锂离子电池不但结构简单、成本低廉，而且具有良好的电化学性能，应用前景广阔，采用现有的粘附层和正极集流体层、采用五氧化二铌作为粘附层和正极集流体层、或采用其他元素掺杂的五氧化二铌作为粘附层和正极集流体层得到的全固态薄膜锂离子电池的性能均较差。
进一步分析可知，实施例3的综合电性能优于实施例1-2，说明采用优选的氮的掺杂量有助于提高电池的性能；实施例4-5的综合电性能优于实施例3，说明采用进一步优选的氮的掺杂量有助于进一步提高电池的性能。
实施例7的综合电性能优于实施例5-6，说明采用优选的氮掺杂的五氧化二铌层的厚度有助于提高电池的性能；实施例8-10的综合电性能优于实施例7，说明采用进一步优选的氮掺杂的五氧化二铌层的厚度有助于进一步提高电池的性能。
进一步地，实施例11的综合电性能优于实施例10，说明采用本发明优选的制备方法制备得到的电池的性能更好。实施例13-15的综合电性能优于实施例11-12，说明通过进一步优选氮气和氩气的体积流量能够进一步提高电池的性能；实施例13-14的综合电性能优于实施例12和15，说明通过更进一步优选氮气和氩气的体积流量能够进一步提高电池的性能。
实施例16-17的综合电性能优于实施例15，说明通过优选溅射功率和溅射时间能够提高电池的性能。实施例18-19的综合电性能优于实施例 16-17，说明通过进一步优选溅射功率和溅射时间能够进一步提高电池的性能。
实施例20-21的综合电性能优于实施例19，说明通过增加特定的加热和退火的步骤能够提高电池的性能。图1为实施例23中全固态薄膜锂离子电池截面的扫面电镜图。实施例22～23的综合电性能优于实施例20-21，说明通过进一步优选加热温度、加热时间、退火温度和退火时间能够进一步提高电池的性能。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.氮掺杂的五氧化二铌同时作为粘附层和正极集流体层在二次电池中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述氮掺杂的五氧化二铌中氮的质量百分含量为2％-3％，优选为2.5％-3％。
3.一种全固态薄膜锂离子电池，其特征在于，包括依次设置的基板、氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，所述氮掺杂的五氧化二铌层同时作为粘附层和正极集流体层。
4.根据权利要求3所述的全固态薄膜锂离子电池，其特征在于，所述氮掺杂的五氧化二铌中氮的质量百分含量为2％-3％，优选为2.5％-3％；
优选地，氮掺杂的五氧化二铌层的厚度为2-5μm，优选为2-4μm。
5.根据权利要求3或4所述的全固态薄膜锂离子电池，其特征在于，所述基板包括金属片；
优选地，所述基板包括不锈钢片。
6.根据权利要求3或4所述的全固态薄膜锂离子电池，其特征在于，所述正极包括钴酸锂和/或锰酸锂；
优选地，所述电解质包括锂的氧化物；
优选地，锂的氧化物包括LiPON；
优选地，所述负极包括金属锂；
优选地，所述正极、电解质和负极的厚度各自独立地为1-3μm。
7.权利要求3-6任一项所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在基板表面依次沉积氮掺杂的五氧化二铌层、正极、电解质和负极，得到全固态薄膜锂离子电池。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，以五氧化二铌为靶材，在通入氮气和惰性气体的条件下，在基板表面溅射得到氮掺杂的五氧化二铌层，其中氮气和惰性气体的流量比为12sccm:36sccm～36sccm:12sccm，优选为12sccm:24sccm～24sccm:12sccm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述溅射的功率为90-110W，优选为95-105W；溅射的时间为4-6h，优选为4.5-5.5h；
优选地，还包括溅射后进行加热和退火，然后得到氮掺杂的五氧化二铌层的步骤，加热温度为180-220℃，加热时间为1-3h，退火温度为580-620℃，退火时间为4-6h；
优选地，加热温度为190-210℃，加热时间为2h；
优选地，退火温度为590-610℃，退火时间为5h。
10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求3-6所述的全固态薄膜锂离子电池或采用权利要求7-9任一项所述的制备方法制备得到的全固态薄膜锂离子电池。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113308677A (zh) * 2021-05-26 2021-08-27 南京理工大学北方研究院 氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法、全固态薄膜的锂离子电池正极以及锂离子电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005223155A (ja) * 2004-02-05 2005-08-18 Companhia Brasileira De Metalurgia & Mineracao 電気化学デバイスおよび電極体
CN102263228A (zh) * 2010-04-12 2011-11-30 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 过渡金属氧氮化物和氮掺杂过渡金属氧化物
CN107464913A (zh) * 2017-07-07 2017-12-12 中国航发北京航空材料研究院 一种生产全固态薄膜锂电池的方法和设备
CN107681192A (zh) * 2017-09-29 2018-02-09 清华大学 锂离子电池及其制造方法、电子装置
CN108914077A (zh) * 2018-08-02 2018-11-30 南京邮电大学 一种基于Nb2O5的透明导电氧化物薄膜及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005223155A (ja) * 2004-02-05 2005-08-18 Companhia Brasileira De Metalurgia & Mineracao 電気化学デバイスおよび電極体
CN102263228A (zh) * 2010-04-12 2011-11-30 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 过渡金属氧氮化物和氮掺杂过渡金属氧化物
CN107464913A (zh) * 2017-07-07 2017-12-12 中国航发北京航空材料研究院 一种生产全固态薄膜锂电池的方法和设备
CN107681192A (zh) * 2017-09-29 2018-02-09 清华大学 锂离子电池及其制造方法、电子装置
CN108914077A (zh) * 2018-08-02 2018-11-30 南京邮电大学 一种基于Nb2O5的透明导电氧化物薄膜及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113308677A (zh) * 2021-05-26 2021-08-27 南京理工大学北方研究院 氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法、全固态薄膜的锂离子电池正极以及锂离子电池

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