Anwendungsentwicklung aller Festkörper-Dünnschicht-Lithiumbatterien

Die Entwicklung chemischer Energiequellen hat sich in Richtung hoher spezifischer Energie, langer Lebensdauer und hoher Sicherheit bewegt. Festkörper-Dünnschicht-Lithiumbatterien sind zum beliebtesten Typ von Lithiumbatterien geworden. Anorganische Festkörper-Dünnschicht-Lithiumbatterien verwenden positive und negative Dünnschichtelektroden und Dünnschicht-Festelektrolyte. Die Dünnschichtmorphologie des Festelektrolyten ermöglicht es, den Flüssigelektrolyten durch einen Festelektrolyten mit geringerer Ionenleitfähigkeit zu ersetzen. Die Dünnschichtmorphologie der positiven und negativen Elektroden ermöglicht es, viele positive und negative Materialien mit großen Änderungen des Lade- und Entladevolumens aufzubringen, wie z. B. Metalllithium und Dünnschichtsilizium Wait. Gleichzeitig ist es aufgrund der Dünnschichtmorphologie von Dünnschicht-Lithiumbatterien einfach, sie zu Batterien im Mikrometerbereich zu verarbeiten und noch weiter nach Batterien im Nanomaßstab zu forschen. Dünnschicht-Lithiumbatterien sind daher nicht nur zum Forschungsschwerpunkt chemischer Energiequellen der nächsten Generation geworden, sondern auch zur unvermeidlichen Forschung zu Mikrobatterien. Entwicklungsrichtung.

Die aktuellen Forschungsrichtungen für anorganische Festkörper-Dünnschicht-Lithiumbatterien sind hauptsächlich unterteilt in: (1) Erforschung und Entwicklung neuer Batteriestrukturen, Verbesserung der Batteriekapazität pro Flächeneinheit und Entladeleistung sowie Lösung des Problems der geringen Flächeneinheit Kapazität und Leistung von Dünnschicht-Lithiumbatterien: (2) Erforschung neuer Arten von Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit zur Lösung des Problems der geringen Lithiumionenleitfähigkeit in anorganischen Festelektrolyten: (3) Erforschung neuer Arten von positiven und negativen Elektroden , so dass die positiven und negativen Elektroden nach der Filmbildung besser sind

1. Forschung zur Struktur von Dünnschicht-Lithiumbatterien

Die Dünnschicht-Lithiumbatterie nimmt eine klassische laminierte Struktur an, die einfach aufgebaut und leicht zu verarbeiten ist. Um jedoch die Leistung der Batterie weiter zu verbessern, nimmt die Forschung zur Struktur der Dünnschicht-Lithiumbatterie allmählich zu, insbesondere die Dünnschicht-Lithiumbatterie mit 3D-Struktur ist aufgrund ihrer guten Leistungserwartungen zu einem Forschungs-Hotspot geworden. In der 3D-Struktur der Dünnschicht-Lithiumbatterie ähnelt sie der porösen Struktur der 3D-Batterie. Diese Art von Batterie wird mit vielen regelmäßig angeordneten Mikroporen auf dem Siliziumsubstrat verarbeitet, und die Li-Diffusionssperrschicht TiN wird in den Mikroporen abgeschieden, und dann wird das Silizium als negative Elektrode verwendet. LiPON ist Elektrolyt, LiCoO2 ist die positive Elektrode zur Herstellung der Batterie.

2. Forschung an anorganischen Festelektrolyten

Batterien, die anorganische Festelektrolyte verwenden, haben gegenüber Elektrolytbatterien viele Vorteile, wie z. B. elektrochemische Stabilität, thermische Stabilität, Stoßfestigkeit, Schlagfestigkeit, keine Leckage- und Verschmutzungsprobleme sowie einfache Miniaturisierung und Dünnfilmbildung. Ein guter anorganischer Festelektrolyt sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) Hohe Lithiumionenleitfähigkeit und nahezu vernachlässigbare elektronische Leitfähigkeit innerhalb des aktiven Lithiumzustands und des Umgebungstemperaturbereichs; (2) Es muss unter elektrochemischen Reaktionen stabil sein, insbesondere unter der Grenzfläche in Kontakt mit der negativen Elektrode aus Lithium oder Lithiumlegierung; (3) Um es zu verwenden, muss der Festelektrolyt umweltfreundlich, ungiftig, kostengünstig und leicht herzustellen sein, und es ist am besten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient zumindest auf beiden Seiten mit den Elektroden übereinstimmt nicht zu unterschiedlich.

(1) Kristalliner anorganischer Elektrolyt

Gegenwärtig haben kristalline anorganische Elektrolyte in vielen Berichten eine hohe Ionenleitfähigkeit gezeigt und können in Festelektrolyte vom NASICON-Typ, LISICON-Typ, Thio-LISICON-Typ, Perowskit-Typ und andere Strukturen unterteilt werden. Die Struktur des NASICON-Festelektrolyten ist im Allgemeinen M [A2B3O12]. Obwohl der NASICON-Elektrolyt eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweist, wird das T-Produkt durch das Metalllithium leicht reduziert, was zu einem instabilen Kontakt mit dem Metalllithium führt.

LISICON hat auch eine hohe Ionenleitfähigkeit. Seine typische Struktur ist der Elektrolyt vom Typ Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON, um die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten zu verbessern. In Elektrolyten vom LISICON-Typ wird Schwefel anstelle von Sauerstoff wie Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 und anderen neuen Materialien verwendet. Die Ionenleitfähigkeit kann 6,5 × 10-5 S / cm erreichen.

Die aktuellen Forschungsrichtungen für anorganische Festkörper-Dünnschicht-Lithiumbatterien sind hauptsächlich unterteilt in: (1) Erforschung und Entwicklung neuer Batteriestrukturen, Verbesserung der Batteriekapazität pro Flächeneinheit und Entladeleistung sowie Lösung des Problems der geringen Flächeneinheit Kapazität und Leistung von Dünnschicht-Lithiumbatterien: (2) Erforschung neuer Arten von Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit zur Lösung des Problems der geringen Lithiumionenleitfähigkeit in anorganischen Festelektrolyten: (3) Erforschung neuer Arten von positiven und negativen Elektroden , so dass die positiven und negativen Elektroden nach der Filmbildung besser sind

1. Forschung zur Struktur von Dünnschicht-Lithiumbatterien

Die Dünnschicht-Lithiumbatterie nimmt eine klassische laminierte Struktur an, die einfach aufgebaut und leicht zu verarbeiten ist. Um jedoch die Leistung der Batterie weiter zu verbessern, nimmt die Forschung zur Struktur der Dünnschicht-Lithiumbatterie allmählich zu, insbesondere die Dünnschicht-Lithiumbatterie mit 3D-Struktur ist aufgrund ihrer guten Leistungserwartungen zu einem Forschungs-Hotspot geworden. In der 3D-Struktur der Dünnschicht-Lithiumbatterie ähnelt sie der porösen Struktur der 3D-Batterie. Diese Art von Batterie wird mit vielen regelmäßig angeordneten Mikroporen auf dem Siliziumsubstrat verarbeitet, und die Li-Diffusionssperrschicht TiN wird in den Mikroporen abgeschieden, und dann wird das Silizium als negative Elektrode verwendet. LiPON ist Elektrolyt, LiCoO2 ist die positive Elektrode zur Herstellung der Batterie.

2. Forschung an anorganischen Festelektrolyten

Batterien, die anorganische Festelektrolyte verwenden, haben gegenüber Elektrolytbatterien viele Vorteile, wie z. B. elektrochemische Stabilität, thermische Stabilität, Stoßfestigkeit, Schlagfestigkeit, keine Leckage- und Verschmutzungsprobleme sowie einfache Miniaturisierung und Dünnfilmbildung. Ein guter anorganischer Festelektrolyt sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) Hohe Lithiumionenleitfähigkeit und nahezu vernachlässigbare elektronische Leitfähigkeit innerhalb des aktiven Lithiumzustands und des Umgebungstemperaturbereichs; (2) Es muss unter elektrochemischen Reaktionen stabil sein, insbesondere unter der Grenzfläche in Kontakt mit der negativen Elektrode aus Lithium oder Lithiumlegierung; (3) Um es zu verwenden, muss der Festelektrolyt umweltfreundlich, ungiftig, kostengünstig und leicht herzustellen sein, und es ist am besten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient zumindest auf beiden Seiten mit den Elektroden übereinstimmt nicht zu unterschiedlich.

(1) Kristalliner anorganischer Elektrolyt

Gegenwärtig haben kristalline anorganische Elektrolyte in vielen Berichten eine hohe Ionenleitfähigkeit gezeigt und können in Festelektrolyte vom NASICON-Typ, LISICON-Typ, Thio-LISICON-Typ, Perowskit-Typ und andere Strukturen unterteilt werden. Die Struktur des NASICON-Festelektrolyten ist im Allgemeinen M [A2B3O12]. Obwohl der NASICON-Elektrolyt eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweist, wird das T-Produkt durch das Metalllithium leicht reduziert, was zu einem instabilen Kontakt mit dem Metalllithium führt.

LISICON hat auch eine hohe Ionenleitfähigkeit. Seine typische Struktur ist der Elektrolyt vom Typ Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON, um die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten zu verbessern. In Elektrolyten vom LISICON-Typ wird Schwefel anstelle von Sauerstoff wie Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 und anderen neuen Materialien verwendet. Die Ionenleitfähigkeit kann 6,5 × 10-5 S / cm erreichen.