TWI792647B - 提升固態鋰電池充放電特性之改質方法 - Google Patents

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Abstract

一種提升固態鋰電池充放電特性之改質方法包含有下列步驟：提供一固態鋰電池之一電極或一固態電解質材料；將電極或固態電解質材料置入一真空腔體中；使電極或固態電解質材料與一靶材相隔一預定距離；注入一製程氣體至真空腔體中使真空腔體之真空度達到一設定值；及使用一電容式脈衝電弧電漿技術以一特定次數將靶材之一金屬離子沉積至電極或固態電解質材料的表面，以使電極或固態電解質材料的表面形成一個以上的量子點。

Description

提升固態鋰電池充放電特性之改質方法
本發明是有關於一種固態鋰電池的改質方法，特別是關於一種提升固態鋰電池充放電特性之改質方法。
近年來鋰電池具有能量密度高、安全可靠、無記憶效應、長循環壽命，快速充放電等優點成為目前廣泛使用的電池技術之一。鋰電池主要區分為液態鋰電池與固態鋰電池兩種。液態鋰電池的有機電解液有漏液的風險，且有機電解液具有易腐蝕、易燃燒的特性，在安全性與熱穩定性上相對沒有固態鋰電池好。
固態鋰電池使用固態電解質取代有機電解液，解決了鋰電池的安全問題，並可用高能量密度材料，例如，鋰金屬作為負極材料，大幅提高固態鋰電池的能量密度。然而，在目前使用的固態電解質膜層中，其離子導電率相較於液態電解質低上2~3個數量級。因此，當固態鋰電池在較高電流密度的條件下進行充放電時，因鋰離子的遷移速率跟不上，導致電池電容量降低。舉例來說，當固態鋰電池處於快速放電速率下(例如，1C時)，其電容量相較於慢速充放電(例如，0.1C時)會降低至約70%左右。
因此，如何能提供一種『提升固態鋰電池充放電特性之改質方法』，成為業界待解決之課題。
本發明實施例提供一種提升固態鋰電池充放電特性之改質方法包含有下列步驟：提供固態鋰電池之電極或固態電解質材料；將電極或固態電解質材料置入真空腔體中；使電極或固態電解質材料與靶材相隔一段預定距離；注入一製程氣體至真空腔體中使真空腔體之真空度達到一設定值；使用電容式脈衝電弧電漿技術以一特定次數將靶材之金屬離子沉積至電極或固態電解質材料的表面，以使電極或固態電解質材料的表面形成一個以上的量子點。
在一些實施例中，其中預定距離為5cm~50cm之間。
在一些實施例中，其中設定值為1×10-4托(torr)~5×10-2托(torr)之間。
在一些實施例中，其中製程氣體為氬氣與氧氣，或者為氮氣與氧氣。
在一些實施例中，其中電容式脈衝電弧電漿技術的工作電壓為50伏特~400伏特之間，工作頻率為1赫茲~20赫茲之間。
在一些實施例中，其中特定次數為1次至10,000次之間。
在一些實施例中，其中靶材為電阻係數小於或等於0.01Ωcm的金屬。
在一些實施例中，金屬為鋰、銦、鉍、鎂、鋁、鎳、鈦、鉻、鉬、鉭、鐵、鎢、鋯、鈮、錳、鈷、銅、銀、金、鋅、錫或碳。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
S100,S110,S120,S130,S140:步驟
第1圖為本發明實施例之提升固態鋰電池充放電特性之改質方法流程圖。
第2A圖為習知技術之電池充放電曲線圖。
第2B圖為本發明實施例之電池充放電曲線圖。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
請參照第1圖，係為本發明實施例之提升固態鋰電池充放電特性之改質方法流程圖。如第1圖所示，步驟S100，提供固態鋰電池之電極或固態電解質材料。固態鋰電池之電極可以例如是正極或負極。固態鋰電池之正極材料可以例如是鎳鈷錳(NCM)，固態鋰電池之負極材料可以例如是鋰金屬。固態電解質材料可以例如是具阻燃導離子高分子的膠固態電解質所構成。
步驟S110，將電極或固態電解質材料置入真空腔體中。
步驟S120，使電極或固態電解質材料與靶材相隔一段預定距離。靶材為電阻係數小於或等於0.01Ωcm的金屬所構成。所述的金屬可以例如是鋰(Li)、銦(In)、鉍(Bi)、鎂(Mg)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、鐵(Fe)、鎢(W)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、錳(Mn)、鈷(Co)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鋅(Zn)、錫(Sn)或碳(C)。在一些實施例中，可透過位移機構來調整所述的預定距離。所述的預定距離為5cm~50cm之間。
步驟S130，注入製程氣體至真空腔體中，使真空腔體之真空度達到一設定值。所述的製程氣體為氬氣與氧氣，或者為氮氣與氧氣。在一些實施例中，製程氣體可以例如是氬氣或氧氣或氮氣。藉此，以使真空腔體之真空度符合製程條件。所述的設定值為1×10-4托(torr)~5×10-2托(torr)之間。
步驟S140，使用電容式脈衝電弧電漿技術，以特定次數將靶材之金屬離子沉積至電極或固態電解質材料的表面，以使電極或固態電解質材料的表面形成至一個以上的量子點。
更具體的說，利用產生電漿電子束對靶材加熱撞擊出金屬離子，而金屬離子與混合氣體的分子會被一起沉積在電極或固態電解質材料的表面，並形成至少一個量子點。另外，電容式脈衝電弧電漿技術的工作電壓為50伏特~400伏特之間，工作頻率為1赫茲~20赫茲之間。所述的特定次數指的是引弧次數，而特定次數為1次至10,000次之間。
改質後的電極或固態電解質材料的表面呈現量子化，可提升其材料的介電常數。由於奈米級微粒的量子點具有較高的介電常數，可在其周圍內產生電場集中現象，藉此吸引鋰離子靠近。換言之，電極或固態電解質材料的表面所分佈的量子點可提供局部電場輔助以加速鋰離子的移動，進而提升鋰離子在介面處的傳導效率。
舉例來說，將正極材料鎳鈷錳(NCM)薄膜置入真空腔體中，調整正極材料鎳鈷錳(NCM)薄膜與靶材之間的距離為30cm，而靶材為鐵材質。接著，將真空腔體底壓抽到1.5×10-5托(torr)，並注入製程氣體氬氣及氧氣。將電容脈衝式電弧電漿的工作電壓設定為250伏特(V)及工作頻率設定為1赫茲(Hz)。接下來，真空腔體的真空度保持在2.5×10-2托(torr)，並引弧5~10次，以電容脈衝式電弧電漿將鐵金屬的靶材擊出引燃電漿，使氧化鐵沉積至正極材料鎳鈷錳(NCM)薄膜的表面，以形成奈米級微粒的量子點。最後，再將此經過表面改質後的正極材料鎳鈷錳(NCM)薄膜與膠固態電解質及負極金屬鋰組成固態鋰電池元件。
請參照第2A圖，係為習知技術之電池充放電曲線圖。如第2A圖所示，橫軸為電容量(mAh/cm2)，縱軸為電壓(V)。習知技術為未經改質處理的固態鋰電池。習知技術之固態鋰電池由正極鎳鈷錳(NCM)薄膜、膠固態電解質材料及負極鋰金屬所組成。如下表一所示，其慢速及快速的放電速率與放電電容量分別為0.1C時2.02502mAh/cm2及1C時1.48272mAh/cm2，電容量維持率為 73.44%。
Figure 110140509-A0305-02-0007-2
接著，請參照第2B圖，係為本發明實施例之電池充放電曲線圖。如第2B圖所示，橫軸為電容量(mAh/cm2)，縱軸為電壓(V)。本發明實施例為經改質處理後的固態鋰電池。本發明實施例之固態鋰電池由正極鎳鈷錳(NCM)薄膜、膠固態電解質材料及負極鋰金屬所組成。如下表二所示，其慢速及快速的放電速率與放電電容量分別為0.1C時2.026mAh/cm2及1C時1.74635mAh/cm2，電容量維持率為86.17%。
Figure 110140509-A0305-02-0007-3
相較之下，本發明實施例之快速放電的電容量維持率有約17%的提升。
綜上所述，本發明之提升固態鋰電池充放電特性之改質方法，在固態鋰電池的整體製程中，對正極、負極與/或固態電解質材料進行表面改質處理，透過沉積具有高介電常數之金屬氧化物奈米級微粒，在正極、負極與/或固態電解質材料的表面上形成量子點。由於量子點周圍具有電場集中現象，藉此，可在電極與固態電解質材料之介面提供一局部電場輔助，進而加速鋰離子通過介面，提升固態鋰電池整體的鋰離子傳導效率。
根據本發明實施例之提升固態鋰電池充放電特性之改質方法，可在高電流密度的條件下進行充放電時維持更高的電容量，即提升快速充放電時之電容量維持率。
根據本發明實施例之電容脈衝式電弧電漿技術，能穩定且可控的將特定數量的金屬離子擊出，並於正極、負極或固態電解質材料的表面形成奈米級微粒的量子點，相較習知技術更為簡易且具泛用性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S100,S110,S120,S130,S140:步驟

Claims (3)

  1. 一種提升固態鋰電池充放電特性之改質方法，包含下列步驟：提供一固態鋰電池之一電極或一固態電解質材料；將該電極或該固態電解質材料置入一真空腔體中；使該電極或該固態電解質材料與一靶材相隔5cm~50cm之間；注入一製程氣體至該真空腔體中使該真空腔體之真空度達到1×10-4托(torr)~5×10-2托(torr)之間；及使用一電容式脈衝電弧電漿技術以一特定次數將靶材之一金屬離子沉積至該電極或該固態電解質材料的表面，以使該電極或該固態電解質材料的表面形成一個以上的量子點；其中該電容式脈衝電弧電漿技術的工作電壓為50伏特~400伏特之間，工作頻率為1赫茲~20赫茲之間；其中該特定次數為1次至10,000次之間；其中該靶材為電阻係數小於或等於0.01Ωcm的金屬。
  2. 如請求項1所述之提升固態鋰電池充放電特性之改質方法，其中該製程氣體為氬氣與氧氣，或者為氮氣與氧氣。
  3. 如請求項7所述之提升固態鋰電池充放電特性之改質方法，其中該金屬為鋰、銦、鉍、鎂、鋁、鎳、鈦、鉻、鉬、鉭、鐵、鎢、鋯、鈮、錳、鈷、銅、銀、金、鋅、錫或碳。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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