新型固定薄膜電池的性能研究

馬元良，毛多鷺，袁 靜，李海琴，張以生

（青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810007）

新型固定薄膜電池的性能研究

馬元良，毛多鷺，袁 靜，李海琴，張以生

（青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810007）

目前固定薄膜電池的應(yīng)用越來越廣泛，為了研究新型固定薄膜電池的性能，本文以Fe2O3和FeF3為靶材制作固定薄膜電池，采用電子顯微鏡對薄膜進(jìn)行掃描表征，采用三電極系統(tǒng)對薄膜進(jìn)行電化學(xué)測量，采用SEM、XPS、TEM來檢測充放電過程中的電極結(jié)構(gòu)，結(jié)果只有首次放電時(shí)存在30%左右的容量損失，電位區(qū)間在0.01-4.0V之間時(shí)可逆性良好，能夠達(dá)到630mAh/g的可逆放電容量，證實(shí)Fe2O3和FeF3可以作為新型固態(tài)薄膜電池的靶材，所制作的電池性能良好.

固定薄膜電池；性能；新型；電子

隨著現(xiàn)代化科技的快速進(jìn)步，電子產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代.另一方面，隨著人們生活水平的提升，對電子設(shè)備的要求也越來越高.因此在種種因素的推動下，市場中各種電子產(chǎn)品都向著微型化、集成化的方向發(fā)展.由于微型電子設(shè)備的大量推出，常規(guī)電源、電池使用的局限性逐漸暴露出來，傳統(tǒng)的電池體積大、性能差，已經(jīng)無法與現(xiàn)代化微型電子設(shè)備相匹配，因此電子設(shè)備的電池也勢必要向著微型化的方向發(fā)展.固態(tài)薄膜電池具有可集成、超薄等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到了人們的青睞，世界各國都加大了固定薄膜電池的研制力度，與此同時(shí)，固定薄膜電池的使用性能也成了學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)問題.

1 固定薄膜電池的材料

1.1 常規(guī)電池的正極材料

1.1.1 LiCoO2

LiCoO2是傳統(tǒng)鋰離子電池中常用的正極材料，它的工作電壓在4.0V左右,工作容量為140mAh/g.目前很多鋰離子電池中仍然采用LiCoO2作為正極材料.近年來，LiCoO2逐漸應(yīng)用到了固定薄膜電池中，據(jù)有關(guān)資料顯示，美國的科研人員曾經(jīng)以Al為襯底，以Pt為集流體，制作了LiCoO2薄膜，這種薄膜的性能很好，容量能夠達(dá)到60uAh/(cm2.um).

1.1.2 LiNiO2

理論上來講，LiNiO2的容量為275mAh/g左右，很多學(xué)者指出，LiNiO2的實(shí)際容量在150- 175mAh/g左右，各方面性能都不能夠滿足制作固定薄膜電池的要求，無法直接應(yīng)用作固定薄膜電池的電極，但是在采取適當(dāng)?shù)姆椒右愿脑熘?，LiNiO2也可以用作固定薄膜電池的電極.也有一些專家學(xué)者表示，LiNiO2的容量比LiCoO2高很多，而且耐過充能力也要比LiCoO2強(qiáng)很多.另一方面，LiNiO2與LiCoO2相比，還具有成本低廉、環(huán)境污染少等優(yōu)勢，因此國內(nèi)外很多專家學(xué)者都相繼提出，在鋰離子電池正極材料的選擇過程中，LiNiO2將逐漸取替LiCoO2.正如眾多學(xué)者所說，LiNiO2被應(yīng)用到了固定薄膜電池的制作中，國外有很多科技人員已經(jīng)以LiNiO2作為靶材，成功制作出了非晶態(tài)LiNiO2薄膜.

1.1.3 LiFePO4

LiFePO4成本低廉，并且具有環(huán)境污染少、能量密度高等優(yōu)點(diǎn).但是LiFePO4的導(dǎo)電性能不佳，因此在使用過程中，通常需要一些金屬陽離子來增強(qiáng)其導(dǎo)電性.

1.2 固定薄膜電池正極材料改良措施

通過上文可以得知，常規(guī)電池的正極材料在使用時(shí)都存在著一定的局限性，因此常規(guī)電池的正極材料無法直接應(yīng)用到固定薄膜電池之中，基于這種情況，要將常規(guī)電池正極材料應(yīng)用到固定薄膜電池中，就需要對這些材料進(jìn)行改良，常用的改良措施主要有以下三種：

（1）采用導(dǎo)電物質(zhì)將材料包覆，增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性能；

（2）調(diào)整材料結(jié)構(gòu)，降低鋰離子的傳導(dǎo)距離；

（3）在材料中摻雜稀土等元素，改變材料的禁帶寬度、晶體結(jié)構(gòu)等特征.

1.3 固定薄膜電池負(fù)極材料

1.3.1 脫嵌負(fù)極材料

碳材料是脫嵌負(fù)極材料中的典型代表，目前石墨類碳材料廣泛用于鋰離子電池的負(fù)極材料.有學(xué)者指出，石墨脫嵌材料的電位較低，在0-0.2V左右，充放電性能也比較良好，同時(shí)石墨脫嵌材料的容量損失較少，損失程度在50mAh/g以下.碳材料在傳統(tǒng)鋰離子電池中的應(yīng)用很廣，但是目前碳材料在固定薄膜電池中應(yīng)用較少.國外的科研人員采用連續(xù)沉積法，成功制作出了石墨薄膜，這種薄膜的電導(dǎo)性能十分良好，不過制作石墨薄膜的成本較高，很難大規(guī)模生產(chǎn).

1.3.2 合金負(fù)極材料

合金負(fù)極材料是鋰離子電池中常用的負(fù)極材料，例如金屬錫可以與鋰發(fā)生以下反應(yīng)：

Sn+4.4Li++4.4e-<--->Li4.4Sn具體的反映原理如圖1所示.

圖1 金屬錫與鋰的反映原理

通過這種可逆反應(yīng)，進(jìn)而就能夠形成鋰錫合金.在金屬錫與鋰發(fā)生可逆性反應(yīng)時(shí)，合金的體積會大幅度膨脹，并且形成的合金很脆，導(dǎo)致錫鋰合金中的材料顆粒容易粉碎.針對這種情況，改良措施主要是引入緩沖材料，避免合金發(fā)生膨脹，防止合金材料顆粒發(fā)生集聚.

1.3.3 轉(zhuǎn)化負(fù)極材料

轉(zhuǎn)化負(fù)極材料的可逆容量能夠達(dá)到700mAh/g以上，轉(zhuǎn)化負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)中沒有供鋰離子插入和脫出的空隙，并且無法與鋰形成合金，轉(zhuǎn)化負(fù)極材料之所以可以儲鋰，需要通過以下反應(yīng)來實(shí)現(xiàn):

通過以上反應(yīng)該，轉(zhuǎn)化負(fù)極材料可以獲得很大的比容量，同時(shí)轉(zhuǎn)化負(fù)極材料在反應(yīng)過程中不會發(fā)生明顯的膨脹.因此有很多專家學(xué)者都提倡采用轉(zhuǎn)化負(fù)極材料作為固定薄膜電池的負(fù)極材料.

2 新型固定薄膜電池的性能研究

2.1 研究資料與方法

2.1.1 研究資料

本次研究中，材料選用純度為99%的Fe2O3和FeF3，采取1/1.5的比例將Fe2O3和FeF3壓制成圓形靶材，靶材直徑=1.3cm.激光與靶材表面之間的入射角度=45度.靶材與基片之間的距離=4cm，最后將靶材制作成薄膜.

2.1.2 研究方法

采用電子顯微鏡對薄膜進(jìn)行掃描表征，采用X射線和電子顯微鏡來測定薄膜的結(jié)構(gòu)，采用X射線光電子能譜來測定薄膜表面的元素價(jià)態(tài)，采用原子發(fā)射光譜來測定薄膜的元素組成.

采用SEM、XPS、TEM來檢測充放電過程中的電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析薄膜的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.

采用三電極系統(tǒng)對薄膜進(jìn)行電化學(xué)測量，在充氫氣的手套箱中組裝電池，采用電化學(xué)工作站來測定循環(huán)伏安曲線.

2.2 研究結(jié)果

首次放電時(shí)大約有30%左右的容量損失，除此之外未發(fā)生容量損失，電位區(qū)間在0.01-4.0V之間時(shí)可逆性良好，能夠達(dá)到630mAh/g的可逆放電容量.

3 結(jié)束語

隨著微電子設(shè)備的普及，固定薄膜電池的應(yīng)用范圍越來越廣，世界各國都加大力度研制固定薄膜電池，雖然各國的研究工作都取得了很大進(jìn)展，但是在制作固定薄膜電池的措施方面還有待完善，在以后的發(fā)展中，有關(guān)領(lǐng)域還要繼續(xù)探索，積極尋找制作固定薄膜電池的有效手段，在此，筆者僅提出以下三點(diǎn)建議:

（1）要大力研制新型的正負(fù)極材料，努力提高固定薄膜電池的電化學(xué)循環(huán)性能，在未來的發(fā)展中，研究新型電極材料將是研制固定薄膜電池中的重要課題.

（2）目前，固定薄膜電池的電解質(zhì)通常都采用LiPON，電導(dǎo)率性能較差，無法滿足大電流放電的要求，因此必須要改良電解質(zhì)的制作工藝，研制新型電解質(zhì)，增強(qiáng)電解質(zhì)的穩(wěn)定性，提高離子傳輸速率.

（3）現(xiàn)階段固定薄膜電池普遍采用的都是二維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一些活性物質(zhì)的利用效率偏低.另一方面，現(xiàn)代化的微型電子設(shè)備對電源的要求很高，電池必須要具備較高的體積質(zhì)量密度，因此在以后的工作中，廣大科研人員要努力突破固定薄膜電池的二維結(jié)構(gòu)，將多種微加工技術(shù)相互結(jié)合，制作三維結(jié)構(gòu)的固定薄膜電池.

〔1〕楊帆，向衛(wèi)東，張希艷.CuInS2納米晶的制備及三階非線性光學(xué)性質(zhì)的研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011(03)：96－100.

〔2〕朱寶華,王芳芳,張琨,馬國宏,顧玉宗,郭立俊,錢士雄. CdSe量子點(diǎn)的線性和非線性光學(xué)特性[J].物理學(xué)報(bào),2008 (10)：4－7.

〔3〕鄒永剛，李林，劉國軍，萬春明.GaAs太陽能電池的研究進(jìn)展[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(01)：44－47.

〔4〕莊陶鈞.有機(jī)小分子光伏器件設(shè)計(jì)與研究[D].中國科學(xué)院研究生院 （長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2011.13－17.

TM914.4+2

A

1673-260 X（2013）12-0018-02

教育部“春暉計(jì)劃”項(xiàng)目（Z20120013）