Applikasjonsutvikling av alle solid-state tynne film litiumbatterier

Utviklingen av kjemiske kraftkilder har beveget seg i retning av høy spesifikk energi, lang levetid og høy sikkerhet. All-solid-state tynnfilm litiumbatterier har blitt den mest populære typen litiumbatterier. Uorganiske hel-solid tynnfilm-litiumbatterier bruker tynne-film positive og negative elektroder og tynne-film faste elektrolytter. Den tynne filmmorfologien til den faste elektrolytten gjør det mulig å erstatte den flytende elektrolytten med en fast elektrolytt med lavere ionisk ledningsevne. Tynnfilmmorfologien til de positive og negative elektrodene gjør det mulig å påføre mange positive og negative materialer med store endringer i ladnings- og utladningsvolum, som metalllitium og tynnfilmsilisium Vent. På samme tid, på grunn av tynnfilm-morfologien til tynnfilm-litiumbatterier, er det enkelt å bearbeide batterier i mikronstørrelse, og enda mer forskning på nanostørrelser. Derfor har tynnfilm litiumbatterier ikke bare blitt forskningspotens for neste generasjons kjemiske kraftkilder, men også den uunngåelige forskningen på mikrobatterier. Retning for utvikling.

De nåværende forskningsretningslinjene for uorganiske tynne-film-litiumbatterier med helt fast tilstand er hovedsakelig delt inn i: (1) Forskning og utvikling av nye batteristrukturer, forbedring av batterikapasiteten per arealeenhet og utladningskraft, og løsning av problemet med lite enhetsareal kapasitet og kraft av tynnfilm litiumbatterier: (2) Forskning på nye typer faste elektrolytter med høy ionisk ledningsevne for å løse problemet med lav litiumionledningsevne i uorganiske faste elektrolytter: (3) Forskning på nye typer positive og negative elektroder , slik at de positive og negative elektrodene etter filmdannelse har blitt bedre

1. Forskning på strukturen til tynnfilm litiumbatterier

Tynnfilm litiumbatteri vedtar en klassisk laminert struktur, som er enkel i struktur og lett å behandle. For å forbedre ytelsen til batteriet ytterligere øker imidlertid forskningen på strukturen til tynnfilm litiumbatteri gradvis, spesielt 3D-strukturen tynnfilm litiumbatteri har blitt et forskningspunkt på grunn av dets gode ytelsesforventninger. I 3D-strukturen til tynnfilm-litiumbatteriet, ligner det den porøse strukturen til 3D-batteriet. Denne typen batteri behandles med mange regelmessig anordnede mikroporer på silisiumsubstratet, og Li-diffusjonsbarrieresjiktet TiN blir avsatt i mikroporene, og deretter blir silisiumet brukt som negativ elektrode. LiPON er elektrolytt, LiCoO2 er den positive elektroden som lager batteriet.

2. Forskning på uorganisk fast elektrolytt

Batterier som bruker uorganiske faste elektrolytter har mange fordeler i forhold til elektrolyttbatterier, slik som elektrokjemisk stabilitet, termisk stabilitet, støtmotstand, slagfasthet, ingen lekkasje og forurensningsproblemer, og enkel miniatyrisering og tynnfilmdannelse. En god uorganisk fast elektrolytt bør ha følgende egenskaper: (1) Høy litiumionledningsevne og nesten ubetydelig elektronisk ledningsevne innenfor litiumaktiv tilstand og omgivelsestemperaturområde; (2) Den må være stabil under elektrokjemiske reaksjoner, spesielt grensesnittet i kontakt med den negative elektroden til litium eller litiumlegering; (3) For å kunne bruke den, må den faste elektrolytten være miljøvennlig, giftfri, billig og enkel å tilberede, og det er best at termisk ekspansjonskoeffisient kan være i samsvar med elektrodene på begge sider, i det minste ikke for annerledes.

(1) Krystallinsk uorganisk elektrolytt

For tiden har krystallinske uorganiske elektrolytter vist høy ionisk ledningsevne i mange rapporter, og de kan deles inn i faste elektrolytter av NASICON-type, LISICON-type, Thio-LISICON-type, perovskitt-type og andre strukturer. Strukturen til NASICON solid elektrolytt er generelt M [A2B3O12]. Selv om NASICON-elektrolytten har høy ionisk ledningsevne, reduseres T-produktet lett av metall-litium, noe som resulterer i ustabil kontakt med metall-litium.

LISICON har også høy ionisk ledningsevne. Den typiske strukturen er Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON elektrolyttypen for å forbedre den ioniske ledningsevnen til elektrolytten. I LISICON-type elektrolytt brukes svovel i stedet for oksygen, slik som Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 Og andre nye materialer, dets ioneledningsevne kan nå 6,5 × 10-5S / cm.

De nåværende forskningsretningslinjene for uorganiske tynne-film-litiumbatterier med helt fast tilstand er hovedsakelig delt inn i: (1) Forskning og utvikling av nye batteristrukturer, forbedring av batterikapasiteten per arealeenhet og utladningskraft, og løsning av problemet med lite enhetsareal kapasitet og kraft av tynnfilm litiumbatterier: (2) Forskning på nye typer faste elektrolytter med høy ionisk ledningsevne for å løse problemet med lav litiumionledningsevne i uorganiske faste elektrolytter: (3) Forskning på nye typer positive og negative elektroder , slik at de positive og negative elektrodene etter filmdannelse har blitt bedre

1. Forskning på strukturen til tynnfilm litiumbatterier

Tynnfilm litiumbatteri vedtar en klassisk laminert struktur, som er enkel i struktur og lett å behandle. For å forbedre ytelsen til batteriet ytterligere øker imidlertid forskningen på strukturen til tynnfilm litiumbatteri gradvis, spesielt 3D-strukturen tynnfilm litiumbatteri har blitt et forskningspunkt på grunn av dets gode ytelsesforventninger. I 3D-strukturen til tynnfilm-litiumbatteriet, ligner det den porøse strukturen til 3D-batteriet. Denne typen batteri behandles med mange regelmessig anordnede mikroporer på silisiumsubstratet, og Li-diffusjonsbarrieresjiktet TiN blir avsatt i mikroporene, og deretter blir silisiumet brukt som negativ elektrode. LiPON er elektrolytt, LiCoO2 er den positive elektroden som lager batteriet.

2. Forskning på uorganisk fast elektrolytt

Batterier som bruker uorganiske faste elektrolytter har mange fordeler i forhold til elektrolyttbatterier, slik som elektrokjemisk stabilitet, termisk stabilitet, støtmotstand, slagfasthet, ingen lekkasje og forurensningsproblemer, og enkel miniatyrisering og tynnfilmdannelse. En god uorganisk fast elektrolytt bør ha følgende egenskaper: (1) Høy litiumionledningsevne og nesten ubetydelig elektronisk ledningsevne innenfor litiumaktiv tilstand og omgivelsestemperaturområde; (2) Den må være stabil under elektrokjemiske reaksjoner, spesielt grensesnittet i kontakt med den negative elektroden til litium eller litiumlegering; (3) For å kunne bruke den, må den faste elektrolytten være miljøvennlig, giftfri, billig og enkel å tilberede, og det er best at termisk ekspansjonskoeffisient kan være i samsvar med elektrodene på begge sider, i det minste ikke for annerledes.

(1) Krystallinsk uorganisk elektrolytt

For tiden har krystallinske uorganiske elektrolytter vist høy ionisk ledningsevne i mange rapporter, og de kan deles inn i faste elektrolytter av NASICON-type, LISICON-type, Thio-LISICON-type, perovskitt-type og andre strukturer. Strukturen til NASICON solid elektrolytt er generelt M [A2B3O12]. Selv om NASICON-elektrolytten har høy ionisk ledningsevne, reduseres T-produktet lett av metall-litium, noe som resulterer i ustabil kontakt med metall-litium.

LISICON har også høy ionisk ledningsevne. Den typiske strukturen er Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON elektrolyttypen for å forbedre den ioniske ledningsevnen til elektrolytten. I LISICON-type elektrolytt brukes svovel i stedet for oksygen, slik som Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 Og andre nye materialer, dets ioneledningsevne kan nå 6,5 × 10-5S / cm.