Applikationsudvikling af alle solid-state tyndfilm-litiumbatterier

Udviklingen af ​​kemiske energikilder har bevæget sig i retning af høj specifik energi, lang levetid og høj sikkerhed. Hel-solid-state tyndfilm-lithiumbatterier er blevet den mest populære type lithiumbatterier. Uorganiske all-solid-state tyndfilm lithiumbatterier bruger tynde film positive og negative elektroder og tynde film faste elektrolytter. Den tynde filmmorfologi af den faste elektrolyt gør det muligt at erstatte den flydende elektrolyt med en fast elektrolyt med lavere ionisk ledningsevne. Den tynde filmmorfologi af de positive og negative elektroder gør det muligt at anvende mange positive og negative materialer med store ændringer i opladnings- og udladningsvolumen, såsom metal lithium og tyndfilms silicium Vent. På grund af den tynde filmmorfologi af tyndfilm-lithiumbatterier er det let at bearbejde batterier i mikronstørrelse og endda yderligere forskning i batterier i nanostørrelse. Derfor er tyndfilm-lithiumbatterier ikke kun blevet det hotspot, der er forsket i næste generations kemiske strømkilder, men også den uundgåelige forskning i mikrobatterier. Retning til udvikling.

De nuværende forskningsretninger for uorganiske all-solid-state tyndfilm-lithiumbatterier er hovedsageligt opdelt i: (1) Forskning og udvikling af nye batteristrukturer, forbedring af batterikapaciteten pr. Arealenhed og afladningskraft og løsning af problemet med lavt enhedsareal kapacitet og effekt af tyndfilm-lithiumbatterier: (2) Forskning i nye typer faste elektrolytter med høj ionisk ledningsevne for at løse problemet med lav lithiumionledningsevne i uorganiske faste elektrolytter: (3) Forskning i nye typer positive og negative elektroder , så de positive og negative elektroder efter filmdannelse er bedre

1. Forskning i strukturen af ​​tyndfilm-lithiumbatterier

Tyndfilm-lithiumbatteriet vedtager en klassisk lamineret struktur, som er enkel i struktur og let at behandle. For at forbedre batteriets ydeevne yderligere øges forskningen i strukturen af ​​tyndfilm-lithiumbatteriet gradvist, især 3D-tyndfilm-lithiumbatteriet er blevet et forskningshotspot på grund af dets gode præstationsforventninger. I 3D-strukturen af ​​tyndfilm-lithiumbatteriet svarer det til den porøse struktur af 3D-batteriet. Denne type batteri behandles med mange regelmæssigt arrangerede mikroporer på siliciumsubstratet, og Li-diffusionsbarrierelaget TiN aflejres i mikroporerne, og derefter anvendes silicium som den negative elektrode. LiPON er elektrolyt, LiCoO2 er den positive elektrode, der fremstiller batteriet.

2. Undersøgelse af uorganisk fast elektrolyt

Batterier, der bruger uorganiske faste elektrolytter, har mange fordele i forhold til elektrolytbatterier, såsom elektrokemisk stabilitet, termisk stabilitet, stødmodstand, slagfasthed, ingen lækage- og forureningsproblemer og let miniaturisering og tyndfilmdannelse. En god uorganisk fast elektrolyt bør have følgende egenskaber: (1) Høj lithiumionledningsevne og næsten ubetydelig elektronisk ledningsevne inden for den litiumaktive tilstand og det omgivende temperaturområde; (2) Den skal være stabil under elektrokemiske reaktioner, især grænsefladen i kontakt med den negative elektrode af lithium eller lithiumlegering; (3) For at bruge den skal den faste elektrolyt være miljøvenlig, giftfri, billig og nem at forberede, og det er bedst, at den termiske ekspansionskoefficient kan være i overensstemmelse med elektroderne på begge sider, i det mindste ikke for anderledes.

(1) Krystallinsk uorganisk elektrolyt

På nuværende tidspunkt har krystallinske uorganiske elektrolytter vist høj ionisk ledningsevne i mange rapporter, og de kan opdeles i faste elektrolytter af NASICON-type, LISICON-type, Thio-LISICON-type, perovskit-type og andre strukturer. Strukturen af ​​NASICON fast elektrolyt er generelt M [A2B3O12]. Selvom NASICON-elektrolytten har høj ionisk ledningsevne, reduceres T-produktet let af metal lithium, hvilket resulterer i ustabil kontakt med metal lithium.

LISICON har også høj ionisk ledningsevne. Den typiske struktur er Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON type elektrolyt for at forbedre elektrolytens ioniske ledningsevne. I LISICON-type elektrolyt anvendes svovl i stedet for ilt, såsom Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 Og andre nye materialer, dets ionledningsevne kan nå 6,5 × 10-5S / cm.

De nuværende forskningsretninger for uorganiske all-solid-state tyndfilm-lithiumbatterier er hovedsageligt opdelt i: (1) Forskning og udvikling af nye batteristrukturer, forbedring af batterikapaciteten pr. Arealenhed og afladningskraft og løsning af problemet med lavt enhedsareal kapacitet og effekt af tyndfilm-lithiumbatterier: (2) Forskning i nye typer faste elektrolytter med høj ionisk ledningsevne for at løse problemet med lav lithiumionledningsevne i uorganiske faste elektrolytter: (3) Forskning i nye typer positive og negative elektroder , så de positive og negative elektroder efter filmdannelse er bedre

1. Forskning i strukturen af ​​tyndfilm-lithiumbatterier

Tyndfilm-lithiumbatteriet vedtager en klassisk lamineret struktur, som er enkel i struktur og let at behandle. For at forbedre batteriets ydeevne yderligere øges forskningen i strukturen af ​​tyndfilm-lithiumbatteriet gradvist, især 3D-tyndfilm-lithiumbatteriet er blevet et forskningshotspot på grund af dets gode præstationsforventninger. I 3D-strukturen af ​​tyndfilm-lithiumbatteriet svarer det til den porøse struktur af 3D-batteriet. Denne type batteri behandles med mange regelmæssigt arrangerede mikroporer på siliciumsubstratet, og Li-diffusionsbarrierelaget TiN aflejres i mikroporerne, og derefter anvendes silicium som den negative elektrode. LiPON er elektrolyt, LiCoO2 er den positive elektrode, der fremstiller batteriet.

2. Undersøgelse af uorganisk fast elektrolyt

Batterier, der bruger uorganiske faste elektrolytter, har mange fordele i forhold til elektrolytbatterier, såsom elektrokemisk stabilitet, termisk stabilitet, stødmodstand, slagfasthed, ingen lækage- og forureningsproblemer og let miniaturisering og tyndfilmdannelse. En god uorganisk fast elektrolyt bør have følgende egenskaber: (1) Høj lithiumionledningsevne og næsten ubetydelig elektronisk ledningsevne inden for den litiumaktive tilstand og det omgivende temperaturområde; (2) Den skal være stabil under elektrokemiske reaktioner, især grænsefladen i kontakt med den negative elektrode af lithium eller lithiumlegering; (3) For at bruge den skal den faste elektrolyt være miljøvenlig, giftfri, billig og nem at forberede, og det er bedst, at den termiske ekspansionskoefficient kan være i overensstemmelse med elektroderne på begge sider, i det mindste ikke for anderledes.

(1) Krystallinsk uorganisk elektrolyt

På nuværende tidspunkt har krystallinske uorganiske elektrolytter vist høj ionisk ledningsevne i mange rapporter, og de kan opdeles i faste elektrolytter af NASICON-type, LISICON-type, Thio-LISICON-type, perovskit-type og andre strukturer. Strukturen af ​​NASICON fast elektrolyt er generelt M [A2B3O12]. Selvom NASICON-elektrolytten har høj ionisk ledningsevne, reduceres T-produktet let af metal lithium, hvilket resulterer i ustabil kontakt med metal lithium.

LISICON har også høj ionisk ledningsevne. Den typiske struktur er Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON type elektrolyt for at forbedre elektrolytens ioniske ledningsevne. I LISICON-type elektrolyt anvendes svovl i stedet for ilt, såsom Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 Og andre nye materialer, dets ionledningsevne kan nå 6,5 × 10-5S / cm.