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 物理與電子信息工程學院，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 物理與電子信息工程學院，青海 西寧 810007）

目前固定薄膜電池的應用越來越廣泛，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行掃描表征，采用三電極系統對薄膜進行電化學測量，采用SEM、XPS、TEM來檢測充放電過程中的電極結構，結果只有首次放電時存在30%左右的容量損失，電位區間在0.01-4.0V之間時可逆性良好，能夠達到630mAh/g的可逆放電容量，證實Fe2O3和FeF3可以作為新型固態薄膜電池的靶材，所制作的電池性能良好.

固定薄膜電池；性能；新型；電子

隨著現代化科技的快速進步，電子產品不斷更新換代.另一方面，隨著人們生活水平的提升，對電子設備的要求也越來越高.因此在種種因素的推動下，市場中各種電子產品都向著微型化、集成化的方向發展.由于微型電子設備的大量推出，常規電源、電池使用的局限性逐漸暴露出來，傳統的電池體積大、性能差，已經無法與現代化微型電子設備相匹配，因此電子設備的電池也勢必要向著微型化的方向發展.固態薄膜電池具有可集成、超薄等優點，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，固定薄膜電池的使用性能也成了學者們關注的重點問題.

1 固定薄膜電池的材料

1.1 常規電池的正極材料

1.1.1 LiCoO2

LiCoO2是傳統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逐漸應用到了固定薄膜電池中，據有關資料顯示，美國的科研人員曾經以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，很多學者指出，LiNiO2的實際容量在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，無法直接應用作固定薄膜電池的電極，但是在采取適當的方法加以改造之后，LiNiO2也可以用作固定薄膜電池的電極.也有一些專家學者表示，LiNiO2的容量比LiCoO2高很多，而且耐過充能力也要比LiCoO2強很多.另一方面，LiNiO2與LiCoO2相比，還具有成本低廉、環境污染少等優勢，因此國內外很多專家學者都相繼提出，在鋰離子電池正極材料的選擇過程中，LiNiO2將逐漸取替LiCoO2.正如眾多學者所說，LiNiO2被應用到了固定薄膜電池的制作中，國外有很多科技人員已經以LiNiO2作為靶材，成功制作出了非晶態LiNiO2薄膜.

1.1.3 LiFePO4

LiFePO4成本低廉，并且具有環境污染少、能量密度高等優點.但是LiFePO4的導電性能不佳，因此在使用過程中，通常需要一些金屬陽離子來增強其導電性.

1.2 固定薄膜電池正極材料改良措施

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

（1）采用導電物質將材料包覆，增強材料的導電性能；

（2）調整材料結構，降低鋰離子的傳導距離；

（3）在材料中摻雜稀土等元素，改變材料的禁帶寬度、晶體結構等特征.

1.3 固定薄膜電池負極材料

1.3.1 脫嵌負極材料

碳材料是脫嵌負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極材料.有學者指出，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.碳材料在傳統鋰離子電池中的應用很廣，但是目前碳材料在固定薄膜電池中應用較少.國外的科研人員采用連續沉積法，成功制作出了石墨薄膜，這種薄膜的電導性能十分良好，不過制作石墨薄膜的成本較高，很難大規模生產.

1.3.2 合金負極材料

合金負極材料是鋰離子電池中常用的負極材料，例如金屬錫可以與鋰發生以下反應：

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，進而就能夠形成鋰錫合金.在金屬錫與鋰發生可逆性反應時，合金的體積會大幅度膨脹，并且形成的合金很脆，導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，避免合金發生膨脹，防止合金材料顆粒發生集聚.

1.3.3 轉化負極材料

轉化負極材料的可逆容量能夠達到700mAh/g以上，轉化負極材料的結構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，轉化負極材料之所以可以儲鋰，需要通過以下反應來實現:

通過以上反應該，轉化負極材料可以獲得很大的比容量，同時轉化負極材料在反應過程中不會發生明顯的膨脹.因此有很多專家學者都提倡采用轉化負極材料作為固定薄膜電池的負極材料.

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行掃描表征，采用X射線和電子顯微鏡來測定薄膜的結構，采用X射線光電子能譜來測定薄膜表面的元素價態，采用原子發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構，進而分析薄膜的電化學反應機理.

采用三電極系統對薄膜進行電化學測量，在充氫氣的手套箱中組裝電池，采用電化學工作站來測定循環伏安曲線.

2.2 研究結果

首次放電時大約有30%左右的容量損失，除此之外未發生容量損失，電位區間在0.01-4.0V之間時可逆性良好，能夠達到630mAh/g的可逆放電容量.

3 結束語

隨著微電子設備的普及，固定薄膜電池的應用范圍越來越廣，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，在以后的發展中，有關領域還要繼續探索，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建議:

（1）要大力研制新型的正負極材料，努力提高固定薄膜電池的電化學循環性能，在未來的發展中，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通常都采用LiPON，電導率性能較差，無法滿足大電流放電的要求，因此必須要改良電解質的制作工藝，研制新型電解質，增強電解質的穩定性，提高離子傳輸速率.

（3）現階段固定薄膜電池普遍采用的都是二維結構，導致一些活性物質的利用效率偏低.另一方面，現代化的微型電子設備對電源的要求很高，電池必須要具備較高的體積質量密度，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構，將多種微加工技術相互結合，制作三維結構的固定薄膜電池.

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TM914.4+2

A

1673-260 X（2013）12-0018-02

教育部“春暉計劃”項目（Z20120013）