RU2622905C1 - Method of producing a thin film anode - Google Patents
Method of producing a thin film anode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2622905C1 RU2622905C1 RU2016127398A RU2016127398A RU2622905C1 RU 2622905 C1 RU2622905 C1 RU 2622905C1 RU 2016127398 A RU2016127398 A RU 2016127398A RU 2016127398 A RU2016127398 A RU 2016127398A RU 2622905 C1 RU2622905 C1 RU 2622905C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tin
- thin
- heat treatment
- anode
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/16—Metallic particles coated with a non-metal
-
- 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
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
-
- 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
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнической области и может быть использовано в литий-ионных аккумуляторных батареях транспортных и космических систем с улучшенными удельными характеристиками.The invention relates to the electrical field and can be used in lithium-ion batteries of transport and space systems with improved specific characteristics.
Известен способ изготовления тонкопленочного анода литий-ионных аккумуляторов на основе пленок наноструктурированного кремния, покрытого двуокисью кремния [RU патент №2474011], преимущественно, для использования в литий-ионных аккумуляторах, работающих при большой плотности тока. Предложенный тонкопленочный материал сформирован из наноразмерных кластеров кремния в оболочке из двуокиси кремния, которые получают в одну стадию магнетронным распылением кремниевой мишени в плазме, содержащей аргон и контролируемые добавки кислорода. Указанные наноструктурированные пленки получают в плазме магнетронного разряда, содержащей 1-3% кислорода по объему в аргоне. Содержание двуокиси кремния в пленке находится в пределах 16-41 весовых %, а наноструктурированный кремний в оболочке двуокиси кремния имеет кластерную структуру с размерами кластеров 5-15 нм. Недостатками способа является сложность в получении бездефектной структуры анода.A known method of manufacturing a thin-film anode of lithium-ion batteries based on films of nanostructured silicon coated with silicon dioxide [RU patent No. 2474011], mainly for use in lithium-ion batteries operating at high current density. The proposed thin-film material is formed from nanoscale silicon clusters in a shell of silicon dioxide, which are obtained in one step by magnetron sputtering of a silicon target in a plasma containing argon and controlled oxygen additives. These nanostructured films are obtained in a magnetron discharge plasma containing 1-3% oxygen by volume in argon. The content of silicon dioxide in the film is in the range of 16-41 weight%, and nanostructured silicon in the shell of silicon dioxide has a cluster structure with cluster sizes of 5-15 nm. The disadvantages of the method is the difficulty in obtaining a defect-free structure of the anode.
Известен способ получения тонкопленочного наноструктурированного электродного материала, выбранный за прототип [RU патент №2414771]. Тонкопленочный наноструктурированный электродный материал, содержащий нанокристаллиты одной фазы рутильных твердых растворов оксидов олова и титана, внедренные в матрицу аморфного оксида олова, согласно изобретению, состоит из оксидов олова и титана в соотношении: оксид олова (IV) 100 мас.ч., оксид титана (IV) 3-13 мас.ч., причем степень кристалличности электродного материала (отношение массы кристаллической фазы ко всей массе пленки) находится в пределах 40-60%. Наноструктурированные пленки получают нанесением смешанного раствора хлоридов олова и одного из металлов Sb, Zr, Pb, Bi, In в водной солянокислой среде на металлические подложки и дальнейшей термообработкой на воздухе при 350-450°C. Недостатками способа является много стадийность процесса, сложность в получении бездефектной структуры и чистого химического состава, низкая циклическая стабильность полученного материала.A known method of producing a thin-film nanostructured electrode material selected for the prototype [RU patent No. 2414771]. A thin-film nanostructured electrode material containing nanocrystallites of one phase of rutile tin and titanium oxide solid solutions embedded in an amorphous tin oxide matrix according to the invention consists of tin and titanium oxides in the ratio: tin (IV)
Задачей изобретения является получение тонкопленочного анода из оксида олова с повышенной циклической стабильностью с сохранением высокой удельной емкости и монокристаллической бездефектной структурой.The objective of the invention is to obtain a thin film anode of tin oxide with high cyclic stability while maintaining a high specific capacity and single crystal defect-free structure.
Для решения поставленной задачи предложен способ получения тонкопленочного анода из оксида олова (IV). В качестве основы выбирают токоснимающую медную фольгу с шероховатой поверхностью. Далее выбранную фольгу помещают в камеру для нанесения тонких пленок методом атомно-слоевого осаждения и сушат в вакууме в течение 1-3 ч. Далее при температуре 150-250°C методом атомно-слоевого осаждения проводят процесс нанесения одного атомного слоя оксида олова (IV) с использованием тетраэтилолова, после чего происходит формирование аморфного соединения SnO2. Далее проводят импульсную термическую обработку при температуре 300-325°C в течение 0,05-0,1 с. После чего происходит формирование монокристаллического SnO2. Процесс повторяют до формирования толщины монокристаллического тонкопленочного анода 100-200 нм.To solve this problem, a method for producing a thin-film anode of tin (IV) oxide is proposed. As a basis, a pick-up copper foil with a rough surface is chosen. Next, the selected foil is placed in a chamber for applying thin films by atomic layer deposition and dried in vacuum for 1-3 hours. Then, at a temperature of 150-250 ° C, the process of deposition of one atomic layer of tin (IV) oxide is carried out by atomic layer deposition using tetraethyltin, after which the formation of the amorphous compound SnO 2 occurs. Next, a pulsed heat treatment is carried out at a temperature of 300-325 ° C for 0.05-0.1 s. Then there is the formation of single-crystal SnO 2 . The process is repeated until the thickness of the single-crystal thin-film anode of 100-200 nm is formed.
Перед запуском процесса атомно-слоевого осаждения требуется удалить всю влагу с поверхности медной фольги, для обеспечения наилучшей конформности покрытий, для этого проводят сушку в вакууме. В основе технологии атомно-слоевого осаждения лежит прохождение самоконтролируемой гетерогенной реакции, которая позволяет получать монокристаллические пленки оксидных систем равномерно на всей поверхности подложки, что приводит к получению равномерной бездефектной структуры с равномерным распределением химических элементов по объему получаемого материала. Во время нанесения тонких пленок их толщина за цикл составляла 1 атомный слой, величина толщины такого порядка позволяет при температурах от 300 до 325°C в течение короткого времени 0,05-0.1 с производить кристаллизацию по объему, вследствие чего происходит образование монокристаллической структуры SnO2. Столь короткое время термической обработки позволяет структурировать каждый слой соединения SnO2, получая монокристаллическую структуру, данная структура позволяет достигнуть теоретической емкости для данного соединения.Before starting the atomic layer deposition process, it is required to remove all moisture from the surface of the copper foil to ensure the best conformity of the coatings; for this, drying is carried out in vacuum. The technology of atomic layer deposition is based on the passage of a self-controlled heterogeneous reaction, which allows one to obtain single-crystal films of oxide systems uniformly on the entire surface of the substrate, which leads to a uniform defect-free structure with a uniform distribution of chemical elements over the volume of the material obtained. During the deposition of thin films, their thickness per cycle was 1 atomic layer; a thickness of this order allows for crystallization by volume at temperatures from 300 to 325 ° C for a short time of 0.05-0.1 s, resulting in the formation of a single-crystal structure of SnO 2 . Such a short heat treatment time allows each layer of the SnO 2 compound to be structured to obtain a single crystal structure; this structure allows one to achieve a theoretical capacity for this compound.
В качестве подложки была выбрана медная шероховатая фольга для обеспечения наибольшей разности потенциалов при дальнейшем использовании анода в литий-ионном аккумуляторе. Время сушки фольги от 1 до 3 часов, при нахождении медной фольги в вакууме менее 1 часа вся адсорбировавшаяся влага не испаряется полностью, что приведет к дефектам в наносимых пленках, при сушке более 3 часов на поверхности фольги начинает происходить процесс десорбции поверхностных функциональных групп, что также приводит к ухудшению хемосорбции между фольгой и оксидом олова (IV). Процесс нанесения тонких пленок методом атомно-слоевого осаждения реализуется при температуре 150-250°C. При нанесении тонких пленок методом атомно-слоевого осаждения при температуре ниже 150°C тетраэтилолово не будет раскладываться с образованием оксида олова (IV), поэтому не будет получен нужный химический состав, следовательно, не будет получена высокая удельная емкость, равномерное распределение химического состава по объему и монокристаллическая бездефектная структура. При нанесении тонких пленок методом атомно-слоевого осаждения при температуре выше 250°C тетраэтилолово будет обладать высоким давлением насыщенного пара, следовательно, будет невозможно нанести один атомный слой оксида олова (IV), при нарушении толщины слоя наносимой пленки, будет невозможно полностью произвести кристаллизацию пленки, следовательно, будут возникать дефекты, а эксплуатационные характеристики, такие как удельная емкость и циклическая стабильность будут низкими.A copper rough foil was chosen as the substrate to ensure the greatest potential difference with the further use of the anode in a lithium-ion battery. The drying time of the foil is from 1 to 3 hours, when the copper foil is in vacuum for less than 1 hour, all the adsorbed moisture does not evaporate completely, which will lead to defects in the applied films, when drying for more than 3 hours, the process of desorption of surface functional groups begins to occur, which also leads to a deterioration in chemisorption between the foil and tin (IV) oxide. The process of applying thin films by atomic layer deposition is carried out at a temperature of 150-250 ° C. When thin films are deposited by atomic layer deposition at temperatures below 150 ° C, tetraethyltin will not decompose to form tin (IV) oxide, therefore, the desired chemical composition will not be obtained, therefore, a high specific capacity, uniform distribution of chemical composition throughout the volume will not be obtained. and single crystal defect-free structure. When thin films are deposited by atomic layer deposition at temperatures above 250 ° C, tetraethyl tin will have a high saturated vapor pressure, therefore, it will be impossible to deposit one atomic layer of tin (IV) oxide, if the thickness of the applied film layer is violated, it will be impossible to completely crystallize the film therefore, defects will occur, and performance, such as specific capacity and cyclic stability, will be low.
Толщина наносимого на медную фольгу оксида олова (IV) составляет 1 атомный слой, так как при нанесении более 1 атомного слоя или менее одного слоя будет невозможно кристаллизовать пленку для получения монокристаллической бездефектной структуры.The thickness of the tin (IV) oxide deposited on the copper foil is 1 atomic layer, since when applying more than 1 atomic layer or less than one layer, it will be impossible to crystallize the film to obtain a single-crystal defect-free structure.
Импульсная термическая обработка при температуре менее 300°C не позволяет получить монокристаллическую структуру касситерита, которая обладает высокими удельными характеристиками. Импульсная термическая обработка при температуре более 325°C, приводит к образованию другой кристаллической структуре, которая обладает низкими электрохимическими характеристиками.Pulse heat treatment at a temperature of less than 300 ° C does not allow to obtain a single-crystal structure of cassiterite, which has high specific characteristics. Pulse heat treatment at temperatures above 325 ° C, leads to the formation of another crystalline structure, which has low electrochemical characteristics.
При длительности импульсной термической обработке менее 0,05 с температурное поле не успевает воздействовать на слой соединения SnO2, тем самым не позволяет получить кристаллическую структуру касситерита, которая обладает высокими удельными характеристиками.When the duration of the pulsed heat treatment is less than 0.05 s, the temperature field does not have time to act on the SnO 2 compound layer, thereby not allowing to obtain the cassiterite crystal structure, which has high specific characteristics.
При длительности импульсной термической обработке более 0,1 с температурное поле воздействует слишком активно, что приводит к образованию другой кристаллической структуры, которая обладает низкими электрохимическими характеристиками.When the duration of the pulsed heat treatment is more than 0.1 s, the temperature field acts too actively, which leads to the formation of another crystalline structure, which has low electrochemical characteristics.
Толщина соединения SnO2 была определена в диапазоне 100-200 нм, при толщине менее 100 нм при использовании анода в литий-ионном аккумуляторе происходит короткое замыкание, а толщины более 200 нм не позволяют в полном объеме интеркалировать/деинтеркалировать четырем ионам лития из образовывающейся в ходе циклирования структуры Li4,4Sn, что, в свою очередь, приведет к снижению электрохимических характеристик.The thickness of the SnO 2 compound was determined in the range of 100-200 nm, with a thickness of less than 100 nm when using the anode in a lithium-ion battery, a short circuit occurs, and thicknesses of more than 200 nm do not allow the full intercalation / deintercalation of the four lithium ions formed during cycling the structure of Li 4,4 Sn, which, in turn, will lead to a decrease in electrochemical characteristics.
Для получения тонкопленочного анода в качестве начального компонента выбирают токоснимающую медную фольгу, с шероховатой поверхностью. Выбранную фольгу помещают в камеру для нанесения тонких пленок, методом атомно-слоевого осаждения, и сушат в вакууме в течение 1-3 ч. Далее, при температуре 150-250°C методом атомно-слоевого осаждения проводят процесс нанесения одного атомного слоя оксида олова (IV) с использованием тетраэтилолова. Далее проводят импульсную термическую обработку при температуре 300-325°C в течение 0,05-0,1 с. Процесс повторяют до формирования толщины тонкопленочного анода 100-200 нм.To obtain a thin-film anode, a current-collecting copper foil with a rough surface is selected as the initial component. The selected foil is placed in a chamber for applying thin films by atomic layer deposition, and dried in vacuum for 1-3 hours. Next, at a temperature of 150-250 ° C, the process of applying one atomic layer of tin oxide is carried out by atomic layer deposition ( Iv) using tetraethyltin. Next, a pulsed heat treatment is carried out at a temperature of 300-325 ° C for 0.05-0.1 s. The process is repeated until a thin film anode thickness of 100-200 nm is formed.
Синтезированный тонкопленочный анод на основе оксида олова (IV) обладает высокой удельной емкостью, которая сохраняется в течение 4000 циклов, что свидетельствует о его повышенной циклической стабильности (фиг. 1). Кроме того, анод имеет монокристаллическую бездефектную структуру с равномерным распределением химического состава по объему.The synthesized thin film anode based on tin (IV) oxide has a high specific capacity, which remains for 4000 cycles, which indicates its increased cyclic stability (Fig. 1). In addition, the anode has a single-crystal defect-free structure with a uniform distribution of chemical composition throughout the volume.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016127398A RU2622905C1 (en) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | Method of producing a thin film anode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016127398A RU2622905C1 (en) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | Method of producing a thin film anode |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2622905C1 true RU2622905C1 (en) | 2017-06-21 |
Family
ID=59241234
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016127398A RU2622905C1 (en) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | Method of producing a thin film anode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2622905C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1030181A (en) * | 1996-03-27 | 1998-02-03 | Saint Gobain Vitrage | Electrochemical device |
RU2414771C1 (en) * | 2009-11-06 | 2011-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" | Thin-film nanostructured electrode material and method of producing said material |
CN102054973A (en) * | 2010-11-17 | 2011-05-11 | 安徽师范大学 | Preparation method and application of multifunctional SnO2@C composite nanometer material |
RU2474011C1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" | Method to manufacture thin-film anode of lithium-ion accumulators based on films of nanostructured silicon coated with silicon dioxide |
CN104103817A (en) * | 2014-05-19 | 2014-10-15 | 南京大学 | Nano heterostructure material for anode material of lithium battery, and preparation |
US20150340692A1 (en) * | 2013-09-05 | 2015-11-26 | Lg Chem, Ltd. | Cathode additives for lithium secondary battery with high capacity |
-
2016
- 2016-07-07 RU RU2016127398A patent/RU2622905C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1030181A (en) * | 1996-03-27 | 1998-02-03 | Saint Gobain Vitrage | Electrochemical device |
RU2414771C1 (en) * | 2009-11-06 | 2011-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" | Thin-film nanostructured electrode material and method of producing said material |
CN102054973A (en) * | 2010-11-17 | 2011-05-11 | 安徽师范大学 | Preparation method and application of multifunctional SnO2@C composite nanometer material |
RU2474011C1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" | Method to manufacture thin-film anode of lithium-ion accumulators based on films of nanostructured silicon coated with silicon dioxide |
US20150340692A1 (en) * | 2013-09-05 | 2015-11-26 | Lg Chem, Ltd. | Cathode additives for lithium secondary battery with high capacity |
CN104103817A (en) * | 2014-05-19 | 2014-10-15 | 南京大学 | Nano heterostructure material for anode material of lithium battery, and preparation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6580197B2 (en) | Deposition method for producing lithium-containing thin film layered structure | |
JP6357229B2 (en) | Deposition method for preparing crystalline lithium-containing compounds | |
US8551656B2 (en) | Solid electrolyte cell and positive electrode active material | |
JP3624174B2 (en) | Metal oxide electrode, method for producing the same, and lithium secondary battery using the same | |
JP4910297B2 (en) | Negative electrode for lithium ion secondary battery, method for producing the same, and lithium ion secondary battery using the same | |
JPH06510621A (en) | Rechargeable thin-film lithium-containing intercalation electrode battery | |
WO2012074138A1 (en) | Solid electrolyte cell and positive electrode active material | |
WO2001029914A1 (en) | Method for producing electrode for lithium secondary cell | |
BR112013021247B1 (en) | ELECTRODE MATERIAL, SOLID ELECTROLYTIC CAPACITOR, CATHODE SHEET FOR USE IN A SOLID ELECTROLYTIC CAPACITOR, CURRENT COLLECTOR FOR AN ELECTRODE, POSITIVE AND NEGATIVE ELECTROLYTIC SECONDARY BATTERY NON-AQUOUS ELECTROLYTIC AND NON-CABORATIC ELECTROLYTIC SECONDARY BATTERY AQUEOUS, ELECTRODE FOR A NON-AQUEOUS DOUBLE ELECTROLYTIC ELECTRIC LAYER CAPACITOR, NON-AQUEOUS DOUBLE ELECTROLYTIC ELECTRIC LAYER CAPACITOR, AND NON-AQUEOUS ELECTROLYTIC HYBRID CAPACITOR | |
JP5168904B2 (en) | Positive electrode current collector for lead acid battery | |
TWI461555B (en) | Multilayer si/graphene composite anode structure | |
KR101654047B1 (en) | anode for lithium secondary battery, manufacturing method thereof and lithium secondary battery comprising the same | |
RU2622905C1 (en) | Method of producing a thin film anode | |
KR20110027112A (en) | Method of preparing positine active material for lithium battery | |
KR101284025B1 (en) | Anode Materials for Secondary Batteries and Method Producing the Same | |
TW201526368A (en) | Method for manufacturing thin films by wet processing | |
WO2019163967A1 (en) | Multilayer body and method for producing same | |
RU2623104C1 (en) | Method of producing a thin film cathode | |
KR100495674B1 (en) | A cathode thin film for all solid state battery, preparation method thereof, and lithium thin film battery using the same | |
CN110085917B (en) | All-solid-state lithium ion battery, preparation method thereof and power utilization equipment | |
KR20210098042A (en) | Secondary battery electrode and manufacturing method thereof | |
TWI314760B (en) | Method for manufacturing transparent conductive thin films | |
JP2004228029A (en) | Electrochemical element, manufacturing method thereof and its manufacturing apparatus | |
Sandhya et al. | Structural and supercapacitive performance of V 2 O 5 thin films prepared by dc magnetron sputtering | |
Tsai et al. | Conductivity Enhancement and Thin-Film Processing of Li4Ti5O12 (LTO) Spinel for Li Battery Applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190708 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200720 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210303 Effective date: 20210303 |