Applicatieontwikkeling van alle solid-state dunne-film lithiumbatterijen

De ontwikkeling van chemische energiebronnen gaat in de richting van hoge specifieke energie, lange levensduur en hoge veiligheid. All-solid-state dunne-film lithiumbatterijen zijn het meest populaire type lithiumbatterijen geworden. Anorganische all-solid-state dunne-film lithiumbatterijen gebruiken dunne film positieve en negatieve elektroden en dunne film vaste elektrolyten. De dunne-filmmorfologie van de vaste elektrolyt maakt het mogelijk om de vloeibare elektrolyt te vervangen door een vaste elektrolyt met een lagere ionengeleiding. De dunne-film-morfologie van de positieve en negatieve elektroden maakt het mogelijk om veel positieve en negatieve materialen aan te brengen met grote veranderingen in laad- en ontladingsvolume, zoals metaal-lithium en dunne-film-silicium. Wacht. Tegelijkertijd is het door de dunne-filmmorfologie van dunne-film lithiumbatterijen gemakkelijk te verwerken tot batterijen van micronformaat en zelfs verder onderzoek naar batterijen van nanoformaat. Daarom zijn dunne-film lithiumbatterijen niet alleen de hotspot voor onderzoek van de volgende generatie chemische energiebronnen geworden, maar ook het onvermijdelijke onderzoek naar microbatterijen. Richting van ontwikkeling.

De huidige onderzoeksrichtingen voor anorganische all-solid-state dunne-film lithiumbatterijen zijn voornamelijk onderverdeeld in: (1) Onderzoek en ontwikkel nieuwe batterijstructuren, verbeter de batterijcapaciteit per oppervlakte-eenheid en ontlaadvermogen, en los het probleem van een lage oppervlakte-eenheid op capaciteit en kracht van dunne-film lithiumbatterijen: (2) Onderzoek naar nieuwe soorten vaste elektrolyten met hoge ionengeleidbaarheid om het probleem van lage lithiumionengeleidbaarheid in anorganische vaste elektrolyten op te lossen: (3) Onderzoek naar nieuwe soorten positieve en negatieve elektroden , zodat de positieve en negatieve elektroden na filmvorming beter zijn

1. Onderzoek naar de structuur van dunne film lithiumbatterijen

De dunne-film lithiumbatterij heeft een klassieke gelamineerde structuur, die eenvoudig van structuur en gemakkelijk te verwerken is. Om de prestaties van de batterij verder te verbeteren, neemt het onderzoek naar de structuur van de dunne film lithiumbatterij echter geleidelijk toe, vooral de 3D-structuur dunne film lithiumbatterij is een onderzoekshotspot geworden vanwege de goede prestatieverwachtingen. In de 3D-structuur van de dunne-film-lithiumbatterij is deze vergelijkbaar met de poreuze structuur van de 3D-batterij. Dit type batterij wordt verwerkt met veel regelmatig opgestelde microporiën op het siliciumsubstraat en de Li-diffusiebarrièrelaag TiN wordt afgezet in de microporiën, en vervolgens wordt het silicium gebruikt als de negatieve elektrode. LiPON is elektrolyt, LiCoO2 is de positieve elektrode om de batterij te maken.

2. Onderzoek naar anorganische vaste elektrolyt

Batterijen die anorganische vaste elektrolyten gebruiken, hebben veel voordelen ten opzichte van elektrolytbatterijen, zoals elektrochemische stabiliteit, thermische stabiliteit, schokbestendigheid, slagvastheid, geen lekkage- en vervuilingsproblemen, en gemakkelijke miniaturisatie en dunne filmvorming. Een goede anorganische vaste elektrolyt moet de volgende kenmerken hebben: (1) Hoge lithiumionengeleidbaarheid en bijna verwaarloosbare elektronische geleidbaarheid binnen het lithium-actieve-toestand- en omgevingstemperatuurbereik; (2) Het moet stabiel zijn onder elektrochemische reacties, vooral de interface in contact met de negatieve elektrode van lithium of lithiumlegering; (3) Om het te gebruiken, moet de vaste elektrolyt milieuvriendelijk, niet-toxisch, goedkoop en gemakkelijk te bereiden zijn, en het is het beste dat de thermische uitzettingscoëfficiënt consistent kan zijn met de elektroden aan beide zijden, tenminste niet te verschillend.

(1) Kristallijne anorganische elektrolyt

Momenteel hebben kristallijne anorganische elektrolyten in veel rapporten een hoge ionische geleidbaarheid getoond, en ze kunnen worden onderverdeeld in vaste elektrolyten van het NASICON-type, het LISICON-type, het Thio-LISICON-type, het perovskiet-type en andere structuren. De structuur van de vaste elektrolyt van NASICON is over het algemeen M [A2B3O12]. Hoewel de NASICON-elektrolyt een hoge ionische geleidbaarheid heeft, wordt het T-product gemakkelijk gereduceerd door het metaal-lithium, wat resulteert in een onstabiel contact met het metaal-lithium.

LISICON heeft ook een hoge ionische geleidbaarheid. De typische structuur is Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON type elektrolyt om de ionische geleidbaarheid van de elektrolyt te verbeteren. In elektrolyt van het type LISICON wordt zwavel gebruikt in plaats van zuurstof, zoals Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 En andere nieuwe materialen, het ionengeleidingsvermogen kan 6,5 × 10-5S / cm bereiken.

De huidige onderzoeksrichtingen voor anorganische all-solid-state dunne-film lithiumbatterijen zijn voornamelijk onderverdeeld in: (1) Onderzoek en ontwikkel nieuwe batterijstructuren, verbeter de batterijcapaciteit per oppervlakte-eenheid en ontlaadvermogen, en los het probleem van een lage oppervlakte-eenheid op capaciteit en kracht van dunne-film lithiumbatterijen: (2) Onderzoek naar nieuwe soorten vaste elektrolyten met hoge ionengeleidbaarheid om het probleem van lage lithiumionengeleidbaarheid in anorganische vaste elektrolyten op te lossen: (3) Onderzoek naar nieuwe soorten positieve en negatieve elektroden , zodat de positieve en negatieve elektroden na filmvorming beter zijn

1. Onderzoek naar de structuur van dunne film lithiumbatterijen

De dunne-film lithiumbatterij heeft een klassieke gelamineerde structuur, die eenvoudig van structuur en gemakkelijk te verwerken is. Om de prestaties van de batterij verder te verbeteren, neemt het onderzoek naar de structuur van de dunne film lithiumbatterij echter geleidelijk toe, vooral de 3D-structuur dunne film lithiumbatterij is een onderzoekshotspot geworden vanwege de goede prestatieverwachtingen. In de 3D-structuur van de dunne-film-lithiumbatterij is deze vergelijkbaar met de poreuze structuur van de 3D-batterij. Dit type batterij wordt verwerkt met veel regelmatig opgestelde microporiën op het siliciumsubstraat en de Li-diffusiebarrièrelaag TiN wordt afgezet in de microporiën, en vervolgens wordt het silicium gebruikt als de negatieve elektrode. LiPON is elektrolyt, LiCoO2 is de positieve elektrode om de batterij te maken.

2. Onderzoek naar anorganische vaste elektrolyt

Batterijen die anorganische vaste elektrolyten gebruiken, hebben veel voordelen ten opzichte van elektrolytbatterijen, zoals elektrochemische stabiliteit, thermische stabiliteit, schokbestendigheid, slagvastheid, geen lekkage- en vervuilingsproblemen, en gemakkelijke miniaturisatie en dunne filmvorming. Een goede anorganische vaste elektrolyt moet de volgende kenmerken hebben: (1) Hoge lithiumionengeleidbaarheid en bijna verwaarloosbare elektronische geleidbaarheid binnen het lithium-actieve-toestand- en omgevingstemperatuurbereik; (2) Het moet stabiel zijn onder elektrochemische reacties, vooral de interface in contact met de negatieve elektrode van lithium of lithiumlegering; (3) Om het te gebruiken, moet de vaste elektrolyt milieuvriendelijk, niet-toxisch, goedkoop en gemakkelijk te bereiden zijn, en het is het beste dat de thermische uitzettingscoëfficiënt consistent kan zijn met de elektroden aan beide zijden, tenminste niet te verschillend.

(1) Kristallijne anorganische elektrolyt

Momenteel hebben kristallijne anorganische elektrolyten in veel rapporten een hoge ionische geleidbaarheid getoond, en ze kunnen worden onderverdeeld in vaste elektrolyten van het NASICON-type, het LISICON-type, het Thio-LISICON-type, het perovskiet-type en andere structuren. De structuur van de vaste elektrolyt van NASICON is over het algemeen M [A2B3O12]. Hoewel de NASICON-elektrolyt een hoge ionische geleidbaarheid heeft, wordt het T-product gemakkelijk gereduceerd door het metaal-lithium, wat resulteert in een onstabiel contact met het metaal-lithium.

LISICON heeft ook een hoge ionische geleidbaarheid. De typische structuur is Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON type elektrolyt om de ionische geleidbaarheid van de elektrolyt te verbeteren. In elektrolyt van het type LISICON wordt zwavel gebruikt in plaats van zuurstof, zoals Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 En andere nieuwe materialen, het ionengeleidingsvermogen kan 6,5 × 10-5S / cm bereiken.