Amorfne LiSiON õhukese kilega elektrolüüt

Autor:XIA Qiuying, SUN Shuo, ZAN Feng, XU Jing, XIA Hui

Materjaliteaduse ja tehnika kool, Nanjingi teadus- ja tehnoloogiaülikool, Nanjing 210094, Hiina

Abstraktne

Täis-tahkekihiga õhukest liitiumakut (TFLB) peetakse mikroelektroonikaseadmete ideaalseks toiteallikaks. Kuid amorfse tahke elektrolüüdi suhteliselt madal ioonjuhtivus piirab TFLB elektrokeemilise jõudluse paranemist. Selles töös valmistatakse amorfse liitiumräni oksünitriidi (LiSiON) õhukesed kiled magnetroni pihustamise teel TFLB tahkiselektrolüüdina. Optimeeritud sadestustingimuste korral on LiSiON õhukesel kilel kõrge ioonjuhtivus 6,3 × 10-6 S∙cm-1 toatemperatuuril ja lai pingeaken üle 5 V, mis teeb sellest sobiva õhukese kile elektrolüüdi TFLB. MoO3/LiSiON/Li TFLB on konstrueeritud suure erimahuga (282 mAh∙g-1 50 mA∙g-1), hea kiirusega (50 mAh∙g) õhukese kile elektrolüüdil MoO3/LiSiON/Li. -1 800 mA∙g-1 juures) ja vastuvõetav tsükli eluiga (78,1% võimsuse säilimine pärast 200 tsüklit), mis näitab selle elektrolüüdi teostatavust praktilistes rakendustes.

Märksõnad:LiSiON; õhukese kile elektrolüüt; täistahke liitiumaku; õhukese kilega aku

Mikroelektroonikatööstuse, nagu mikroelektromehaanilised süsteemid (MEMS), mikroandurid, kiipkaardid ja siirdatavad mikromeditsiiniseadmed, kiire areng suurendab nõudlust integreeritud mikrosuuruses energiasalvestuse järele.^[1,2]. Saadaolevate akutehnoloogiate hulgas peetakse täisfaasi õhukest liitiumakut (TFLB) ideaalseks toiteallikaks mikroelektroonikaseadmete jaoks, kuna need on kõrge ohutuse, väikese suuruse, kiibil töötava konstruktsiooni, pika tööea ja madalad. isetühjenemise kiirus. TFLB ühe põhikomponendina mängib tahkis õhukese kile elektrolüüt TFLB omaduste määramisel olulist rolli^[3]. Seetõttu on suure jõudlusega tahkis õhukese kile elektrolüüdi väljatöötamine alati TFLB arendamise oluline eesmärk. Praegu on TFLB-s kõige laialdasemalt kasutatav elektrolüüt amorfne liitiumfosforoksünitriid (LiPON), millel on mõõdukas ioonjuhtivus (2×10-6 S∙cm-1), madal elektrooniline juhtivus (~{{5). }} S∙cm-1), lai pingeaken (~5,5 V) ja hea kontakti stabiilsus liitiumiga^[4,5]. Selle ioonjuhtivus on aga suhteliselt madal, mis takistab suure võimsusega TFLB edasist arengut asjade Interneti (IoT) eelseisvaks ajastuks.^[6]. Seega on järgmise põlvkonna TFLB jaoks kiiresti vaja välja töötada uued õhukese kile elektrolüüdid, millel on suurenenud ioonjuhtivus, samuti suur pingeaken ja hea kontakti stabiilsus liitiumiga.

Erinevate anorgaaniliste tahkete elektrolüütide materjalide hulgas tuvastati Li2O-SiO2 tahke lahuse süsteem ja nende deuterogeensed faasid potentsiaalsete õhukese kile elektrolüütidena nende kiirete kolmemõõtmeliste liitiumi juhtivuskanalite tõttu.^[7]. Näiteks Chen et al.^[8]teatas, et Al-asendatud Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O tahkel elektrolüüdil on kõrge ioonjuhtivus 5,4×10-3 S∙cm{{12} } 200 kraadi juures. Adnan et al.^[9] leidis, et Li4Sn0.02Si0,98O4 ühendi maksimaalne juhtivuse väärtus on ümbritseva õhu temperatuuril 3,07 × 10-5 S∙cm-1. Varasemad tööd Li2O-SiO2 elektrolüütide süsteemidega keskendusid aga enamasti kõrge kristallilisusega pulbermaterjalidele, samas kui nende TFLB amorfsete õhukeste kilede analoogide kohta teatati väga vähesest tööst. Kuna TFLB valmistatakse tavaliselt õhukeste katoodi-, elektrolüüdi- ja anoodikilede sadestamisel kihtide kaupa, tuleb elektrolüüdi kile valmistada suhteliselt madalal temperatuuril, et vältida katoodi ja elektrolüüdi ebasoodsaid interaktsioone, mis põhjustavad pragusid ja lühiseid. TFLB^[1,2]. Seega on TFLB jaoks oluline madalal temperatuuril valmistatud amorfse omadusega Li2O-SiO2 elektrolüüdi väljatöötamine. Kuigi hiljutine töö^[6] näitab, et amorfse Li-Si-PON õhukese kilega saab saavutada kõrge liitiumioonijuhtivuse 2,06 × 10-5 S∙cm-1, selle kontaktstabiilsus elektroodidega ja elektrokeemiline stabiilsus TFLB-s pole veel saavutatud uurida. Seetõttu on ülimalt oluline töötada välja suure jõudlusega Li2O-SiO2 põhinev õhukese kilega elektrolüüt ja näidata selle tegelikku kasutamist TFLB-s.

Selles töös valmistati toatemperatuuril raadiosagedusliku (RF) magnetroni pihustamisega amorfse liitium-räni oksünitriidi (LiSiON) õhuke kile ja seda uuriti TFLB tahkis-elektrolüüdina. Pihustusvõimsus ja N2/Ar töögaasi vool optimeeriti, et saada LiSiON õhukese kile jaoks parimad sadestustingimused. Lisaks konstrueeriti TFLB jaoks optimeeritud LiSiON elektrolüüdi rakendatavuse demonstreerimiseks MoO3 / LiSiON / Li täiselement ja selle elektrokeemilist jõudlust uuriti süstemaatiliselt.

1 Eksperimentaalne

1.1 LiSiON õhukeste kilede valmistamine

LiSiON õhukesed kiled valmistati RF magnetroni pihustamisega (Kurt J. Lesker), kasutades Li2SiO3 sihtmärki (läbimõõt 76,2 mm) toatemperatuuril 12 tundi. Enne sadestamist vähendati kambri rõhku alla 1 × 10-5 Pa. Kaugus sihtmärgist substraadini oli 10 cm. Proovid, mis on sadestatud raadiosagedusliku võimsusega 80, 100 ja 120 W voolul 90 sccm N2, on tähistatud kui proovid LiSiON-80N9, LiSiON-100N9 ja LiSiON-120N9, vastavalt. Ja proovid, mis on sadestatud raadiosagedusliku võimsusega 100 W voolul 90 sccm N2 ja 10 sccm Ar, 90 sccm N2 ja 50 sccm Ar, 50 sccm N2 ja 50 sccm Ar on tähistatud kui proovid LiSiON- 100N9A1, LiSiON -100N9A5 ja LiSiON-100N5A5 vastavalt.

1.2 MoO3/LiSiON/Li TFLB valmistamine

MoO3 kile valmistati alalisvoolu (DC) reaktiivse magnetroni pihustamisega (Kurt J. Lesker), kasutades puhtast metallist Mo sihtmärki (läbimõõt 76,2 mm) vastavalt meie eelmisele aruandele.^[10]. Kaugus sihtmärgist substraadini oli 10 cm ja alalisvoolu pihustusvõimsus oli 60 W. Sadestamine viidi läbi substraadi temperatuuril 100 kraadi 4 tunni jooksul voolul 40 sccm Ar ja 10 sccm O2, in situ lõõmutamise teel. töötlemine 450 kraadi juures 1 tund. LiSiON-100N9A1 kanti seejärel MoO3 kilele elektrolüüdina. Pärast seda kanti LiSiON kilele vaakumtermoaurustamisega metallist liitiumkile paksusega umbes 2 μm (Kurt J. Lesker). Viimane valmistamisetapp hõlmas Cu voolukollektori sadestamist ja kapseldamise protsessi.

1.3 Materjali iseloomustus

Proovide kristallstruktuure iseloomustati röntgendifraktsiooniga (XRD, Bruker D8 Advance). Proovide morfoloogiaid ja mikrostruktuure iseloomustati väljaemissiooni skaneeriva elektronmikroskoobiga (FESEM, FEI Quanta 250F), mis oli varustatud energiat hajutava röntgenspektroskoopiaga (EDS). Proovide elementaarseid koostisi analüüsiti induktiivselt sidestatud plasma massispektromeetriaga (ICP-MS, Agilent 7700X). Proovide keemilist koostist ja seostumisinfot mõõdeti röntgenfotoelektronspektroskoopiaga (XPS, Escalab 250XI, Thermo Scientific).

1.4 Elektrokeemilised mõõtmised

LiSiON õhukese kile elektrolüüdi ioonjuhtivust mõõdeti Pt / LiSiON / Pt kihilise struktuuri abil. Proovide elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia (EIS) (1000 kHz kuni 0,1 Hz potentsiaalse amplituudiga 5 mV) ja tsüklilise voltamperomeetria (CV) mõõtmised viidi läbi Biologic VMP3 elektrokeemilise seadmega. tööjaam. MoO3 / LiSiON / Li TFLB galvanostaatilise laadimise / tühjenemise (GCD) mõõtmine viidi läbi Neware BTS4000 akusüsteemi abil argooniga täidetud kindalaekas toatemperatuuril. Elektroodi massikoormuse määramiseks kasutati Sartoriuse analüütilist kaalu (CPA225D, eraldusvõimega 10 ug) ja MoO3 kile massikoormus on umbes 0,4 mg∙cm{13}}.

2 Tulemused ja arutelu

Nagu on näidatud joonisele 1(a) lisatud optilisel kujutisel, kasutati LiSiON õhukese kile valmistamiseks Li2SiO3 sihtmärki. XRD tulemus joonisel 1(a) näitab, et sihtmärk koosneb peamisest Li2SiO3 (JCPDS 83-1517) faasist ja väiksemast SiO2 faasist. ICP-MS mõõtmine näitab, et Li:Si aatomsuhe on sihtmärgis umbes 1,79:1. Pärast sihtmärgi pihustamist saadi tüüpilise proovi LiSiON-100N9A1 jaoks läbipaistev amorfne õhuke kile (joonis 1(b)). Tüüpilise proovi LiSiON-100N9A1 paksus, mõõdetuna joonisel fig 1(c) kujutatud ristlõike FESEM-kujutisest, on umbes 1,2 μm, mis näitab kasvukiirust umbes 100 nm∙h-1 selle all. tingimus. Nagu on näidatud pealtvaates FESEM-pildil joonisel 1(d), on LiSiON õhukese kile pind väga sile ja tihe, ilma pragude ja aukudeta, muutes selle TFLB jaoks sobivaks tahkeks elektrolüüdiks, et vältida otseteid ja ohutusprobleeme.

Joonis 1 (a) Li2SiO3 sihtmärgi XRD muster ja optiline kujutis; (b) tüüpilise näidise LiSiON- 100N9A1 XRD muster ja optiline kujutis; (c) ristlõige ja (d) tüüpilise näidise LiSiON-100N9A1 FESEM-pildid pealtvaates

XPS-analüüs viidi läbi Li2SiO3 sihtmärgi ja tüüpilise proovi LiSiON-100N9A1 keemilise koostise ja sidemete uurimiseks. XPS-uuringu skaneerimise spektrid joonisel 2(a) näitavad Li, Si ja O elementide olemasolu Li2SiO3 sihtmärgis ja N elemendi lisamist LiSiON õhukesesse kilesse. N : Si aatomsuhe LiSiON õhukeses kiles on XPS tulemuse järgi umbes 0,33 : 1. Kombineerides ICP-MS mõõtmisel saadud vastava aatomisuhtega (1,51 : 1), määratakse tüüpilise proovi LiSiON-100N9A1 stöhhiomeetria väärtuseks Li1.51SiO2.26N0.33. Võrreldes ühe Si-Si (103,2 eV) piigiga Li2SiO3 sihtmärgi Si2p tuumataseme XPS spektris (joonis 2(b)), võib LiSiON õhukesest kilest näha täiendavat Si-N (101,6 eV) piiki. , mis viitab nitrideerimisele LiSiONis^[11,12]. Li2SiO3 sihtmärgi O1-südamiku taseme XPS-spekter joonisel 2(c) näitab kahte sidumiskeskkonda: 531,5 eV pärineb SiOx-st ja 528,8 eV on määratud Li2O-le. Pärast sadestamist saab LiSiON õhukese kilega jälgida lisakomponenti, mis tekkis 530,2 eV juures, mille saab määrata silikaadis olevale mittesillatavale hapnikule (On)^[13,14]. Joonisel 2(d) kujutatud LiSiON-i õhukese kile N1-südamiku taseme XPS-spektri saab lahutada kolmeks piigiks, sealhulgas 398,2 eV Si-N sideme jaoks, 396,4 eV Li3N jaoks ja 403,8 eV nitritiliikide NO korral{11} }, mis kinnitab veelgi N lisamist LiSiON võrku^[14,15,16]. Nagu skemaatiliselt illustreeritud joonisel fig 2(e), võib N liitmine LiSiON võrku moodustada rohkem ristseotud struktuuri, mis on kasulik liitiumioonide kiirele juhtivusele^[6,17].

Joonis 2 (a) Skaneeringu uuring, (b) Si2p tuumatase, (c) O1 tuumatase ja (d) Li2SiO3 sihtmärgi ja tüüpilise proovi LiSiON-100N9A1 N1s tuumataseme XPS-spektrid; (e) Skemaatiline illustratsioon osalise struktuuri muutumisest Li2SiO3-lt LiSiON-iks koos N-i lisamisega

LiSiON õhukeste kilede ioonjuhtivuse ja elektrokeemilise stabiilsuse optimeerimiseks võrreldi erinevaid LiSiON õhukesi kilesid, mis olid sadestatud erinevatel pihustusvõimsustel ja töögaasi voogusid nende ioonjuhtivuse ja pingeakende osas. LiSiON õhukeste kilede toatemperatuuri Nyquisti graafikud on kujutatud joonisel 3(a) ja vastav Pt/LiSiON/Pt sandwich struktuur ja samaväärne skeem on näidatud joonisel 3(b). Nagu täheldatud, on Nyquisti graafikutel üks poolring ja dielektriline mahtuvussaba, mis on iseloomulik õhukese kilega juhtivale dielektrikule, millel on blokeerimiskontaktide vahele jääv mass-relaksatsiooniprotsess.^[17]. LiSiON õhukeste kilede ioonjuhtivust (σi) saab arvutada võrrandi abil. (1).

σi=d/(RA)

Joonis 3 (a) Erinevates tingimustes sadestatud LiSiON õhukeste kilede elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia (EIS) spektrid; (b) Pt/LiSiON/Pt sandwich-struktuuri ja vastava samaväärse vooluahela skemaatiline illustratsioon; (c) erinevatel tingimustel sadestunud LiSiONi õhukeste kilede CV-kõverad; (d) Proovi LiSiON-100N9A1 kronoamperomeetria kõver

kus d on kile paksus, A on efektiivne pindala (umbes 1 cm2) ja R on kile takistus, mis on hinnatud mõõdetud Nyquisti graafiku põhjal. Nende LiSiON õhukeste kilede arvutatud ioonjuhtivusi on võrreldud tabelis 1. Nagu täheldatud, suureneb konstantsel voolul 90 sccm N2 sadestatud LiSiON õhukese kile ioonjuhtivus koos pihustusvõimsuse suurenemisega 80 W-lt 100 W-ni, seejärel väheneb kui pihustusvõimsust suurendatakse veelgi 120 W-ni, mis on sarnane eelmisele LiPON-elektrolüüdi aruandele^[18]. Ioonjuhtivuse ilmset suurenemist võib täheldada, kui soodustatakse N2 suhet töötavas gaasis konstantse 100 W pihustusvõimsuse juures, mida võib seostada liitiumioonide jaoks soodsama keskkonnaga LiSiON-is sisalduva lämmastiku suurenenud kogusega. liikumine^{[5, 18]}. Märkimisväärne on see, et näidised LiSiON- 100N9 ja LiSiON-100N9A1 näitavad suurimat ioonjuhtivust vastavalt 7,1×10-6 ja 6,3×10-6 S∙cm-1 , mis on ilmselt kõrgemad kui tuntud LiPON (~2×10-6 S∙cm-1), varem teatatud amorfsest LiNbO3-st (~1×10-6 S∙cm{{19} })^[19], LiBON (2,3 × 10-6 S∙cm-1)^[20], Li-V-Si-O (~1×10-6 S∙cm-1)^[21], Li-La-Zr-O (4 × 10-7 S∙cm-1)^[22]ja Li-Si-PO (1,6 × 10-6 S∙cm-1)^[23]elektrolüüdikiled, mis näitab, et amorfne LiSiON õhuke kile on TFLB elektrolüüdina konkurentsivõimeline kandidaat. LiSiON õhukese kile kõrge ioonijuhtivuse põhjuseks võib olla N lisamine õhukesesse kilesse ja Si-O sidemete asemel Si-N sidemete moodustumine, mis põhjustab liitiumioonide hõlpsa liikuvuse jaoks võrgustunud anioonse võrgu.^{[17, 24]}. LiSiON õhukeste kilede elektrokeemiliselt stabiilseid pingeaknaid hinnati CV mõõtmisega skaneerimiskiirusel 5 mV∙s-1 pingega kuni 5,5 V. Tuleb märkida, et sadestumise tingimuste mõju pingele LiSiON kilede aken varieerub, mida ei saa praegu seletada selge mehhanismiga, kuna varasemates aruannetes ei ole õhukese kile elektrolüüdi kohta asjakohaseid uuringuid tehtud^[18,24-25]. Sellegipoolest, võrreldes joonisega 3(c) ja tabelis 1, näitab näidis LiSiON-100N9A1 ja LiSiON- 100N5A5 kõige laiemaid pingeaknaid ~5.0 ja ~5,2 V , mis on lähedased LiPON-elektrolüüdi omadele. Seetõttu, võttes arvesse nii ioonjuhtivuse kui ka pinge akent, valiti edasiseks uurimiseks ja täiselemendi valmistamiseks proov LiSiON- 100N9A1. Liitiumioonide ülekandearvu (τi) ja proovi LiSiON-100N9A1 elektroonilise juhtivuse (σe) uurimiseks viidi kronoamperomeetria läbi konstantsel pingel 10 mV (joonis 3(d)). τi saab arvutada võrrandiga. (2).

τi=(Ib-Ie)/Ib

kus Ib on algne polarisatsioonivool ja Ie on püsiseisundi vool^[18]. Arvutati τi väärtuseks 0,998, mis on 1-le lähedane, mis näitab, et liitiumioonide juhtivus on elektrolüüdis absoluutselt domineeriv. τi määratakse ioonide ja elektronide juhtivuse segamõjuga^[24], mida saab väljendada võrrandiga. (3).

τi=σi/(σi+σe)

Seega arvutatakse proovi LiSiON-100N9A1 σe väärtuseks 1,26 × 10-8 S∙cm-1, mis on selle ioonijuhtivusega võrreldes tühine.

Tabel 1 Erinevates tingimustes sadestunud LiSiON õhukeste kilede liitiumioonide juhtivuse ja pingeakende võrdlus

TFLB rakenduse jaoks optimeeritud näidise LiSiON{{0}}N9A1 teostatavuse kontrollimiseks valmistati MoO3/LiSiON/Li TFLB edasi. MoO3/LiSiON/Li TFLB ristlõige FESEM-kujutis ja vastavad EDS-i kaardistamise kujutised on näidatud joonisel 4(a). Nagu täheldatud, on MoO3 katood (paksus umbes 1, 1 μm) ja Li anood LiSiON elektrolüüdiga hästi eraldatud ning LiSiON elektrolüüdil on tihedad kontaktliidesed nii katoodi kui ka anoodiga. Joonisel 4(b) on kujutatud TFLB tüüpiline CV kõver skaneerimiskiirusel 0,1 mV∙s-1 vahemikus 1.5-3,5 V, mis näitab paari täpselt määratletud redokspiik umbes 2,25 ja 2,65 V juures, mis vastab liitiumioonide sisestamisele MoO3 ja sealt eraldamisele^[10]. Joon. 4(c) kujutab TFLB algset 3 galvanostaatilise laengu/tühjenemise kõverat voolutihedusel 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2, MoO3 kile massil) ). Nagu täheldatud, annab TFLB esialgseks laadimis-/tühjendamisvõimsuseks 145/297 mAh∙g-1 (58/118,8 μAh∙cm-2). Pärast 2. tsüklit saavutas TFLB stabiilse tsüklikäitumise suure pöörduva erivõimsusega 282 mAh∙g{16}}. TFLB kiirust erinevatel voolutihedustel on kujutatud joonisel 4(d). TFLB pöördumatu võimsuse kaotus mitmes esialgses tsüklis madala voolutihedusega võib olla tingitud liitiumi sisestamise teel saadud MoO3 pöördumatust faasisiirdest.^[26]. Stabiilseid tühjendusvõimsusi umbes 219, 173, 107 ja 50 mAh∙g-1 täheldatakse vastavalt 100, 200, 400 ja 800 mA∙g-1 juures, mis näitab head kiirusvõimet. TFLB elektrokeemilise stabiilsuse hindamiseks viidi tsükli jõudlus läbi voolutihedusega 200 mA∙g-1 (joonis 4(e)). TFLB suudab pärast 200 tsüklit säilitada 78,1% oma esialgsest tühjendusvõimsusest ja kuloniline efektiivsus on iga tsükli kohta peaaegu 100%, mis näitab LiSiON elektrolüüdi vastuvõetavat elektrokeemilist stabiilsust. EIS-i mõõtmised viidi läbi avatud ahela pingel, et uurida elektrolüüdi/elektroodi liidest TFLB-s erinevatel tsüklinumbritel, ja vastavad Nyquisti graafikud samaväärse vooluringiga on kujutatud joonisel 4(f). Nagu täheldatud, näitab MoO3 / LiSiON / Li TFLB sarnast EIS-spektrit, mis koosneb kahest poolringist värskes olekus kõrgsageduspiirkonnas, kui MoO3 / LiPON / Li TFLB meie eelmises töös.^[10], mis näitab, et Li / LiSiON liidese takistus on LiSiON / MoO3 liidesega võrreldes tühine^[20]. Esimene väike poolring Nyquisti graafikutel on omistatud Li + ioonide ioonjuhtivusele LiSiON elektrolüüdis, samas kui teine ​​suur poolring vastab laengu ülekande protsessile LiSiON / MoO3 liideses.^[27,28]. Tuleb märkida, et esimene väike poolring muutub tsüklite jooksul harva, mis näitab LiSiON elektrolüüdi suhteliselt head tsüklilist stabiilsust. Kuid teine ​​poolring laieneb järk-järgult, kui tsükli number areneb, paljastades rattasõidu ajal suurenenud LiSiON / MoO3 liidese takistuse, mis võib olla TFLB võimsuse vähenemise peamine põhjus.^[29]. Väärib märkimist, et see töö võtab TFLB konstrueerimiseks edukalt kasutusele LiSiON elektrolüüdi ja demonstreerib esimest korda LiSiONi head liidese kontakti nii MoO3 katoodi kui ka liitiumanoodiga. Lisaks näitavad MoO3/LiSiON/Li TFLB suur erivõimsus, hea kiirusvõime ja vastuvõetav tsükli jõudlus, et LiSiON õhuke kile sobib hästi TFLB elektrolüüdina.

Joonis 4 (a) MoO3/LiSiON/Li TFLB ristlõige FESEM-kujutis ja vastavad EDS-i kaardistamise kujutised; (b) tüüpiline CV kõver, (c) algsed kolm laadimis-/tühjenemiskõverat, (d) kiiruse jõudlus, (e) tsükli jõudlus ja (f) EIS spektrid erinevatel MoO3/LiSiON/Li TFLB tsüklinumbritel koos prooviga LiSiON -100N9A1 elektrolüüdina

3 Järeldused

Kokkuvõttes valmistati amorfne LiSiON õhukese kile elektrolüüt edukalt RF magnetroni pihustamisega, kasutades Li2SiO3 sihtmärki N2 / Ar gaasivooluga. Optimeeritud LiSiON õhukesel kilel, mis on sadestatud raadiosagedusliku võimsusega 100 W voolul 90 sccm N2 ja 10 sccm Ar, on sile pind, tihe struktuur ja kõrge ioonijuhtivus (6,3 × 10-6 S∙cm-1) ja lai pingeaken (5 V), mistõttu on see TFLB jaoks paljulubav elektrolüüdimaterjal. Veelgi olulisem on see, et LiSiON elektrolüüti kasutades demonstreeriti esimest korda edukalt MoO3/LiSiON/Li TFLB suure erivõimsusega (282 mAh∙g-1 50 mA∙g-1 juures), mis on hea. kiiruse jõudlus (50 mAh∙g-1 800 mA∙g-1 juures) ja vastuvõetav tsükli stabiilsus (78,1% võimsuse säilimine pärast 200 tsüklit). See töö loob eeldatavasti uusi võimalusi suure jõudlusega TFLB arendamiseks, kasutades Li2O-SiO2-põhist õhukese kile elektrolüüti.

Viited

[1] MOITZHEIM S, PUT B, VEREECKEN P M. Edusammud 3D õhukese kilega liitiumioonakudes. Täiustatud materjalide liidesed, 2019, 6 (15): 1900805.
[2] XIA Q, ZHANG Q, SUN S jt. Tunnelitevahelised LixMnO2 nanolehtede massiivid 3D-katoodina suure jõudlusega tahkefaasiliste õhukese kihi liitiummikropatareide jaoks. Täiustatud materjalid, 2021,33(5):2003524.
[3] DENG Y, EAMES C, FLEUTOT B jt. Liitiumioonide juhtivuse suurendamine liitiumi superioonjuhi (LISICON) tahketes elektrolüütides segapolüanioonefekti kaudu. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(8):7050-7058.
[4] BATES JB, DUDNEY NJ, GRUZALSKI GR jt. Amorfse liitiumelektrolüüdi õhukeste kilede ja laetavate õhukese kileakude valmistamine ja iseloomustamine. Journal of Power Sources, 1993, 43 (1/2/3):103-110.
[5] BATES J. Amorfse liitiumelektrolüüdi õhukeste kilede elektrilised omadused. Solid State Ionics, 1992, 53(56):647-654.
[6] FAMPRIKIS T, GALIPAUD J, CLEMENS O jt. LiSiPO (N) õhukese kile elektrolüütide ioonjuhtivuse sõltuvus tahkisakude puhul. ACS Applied Energy Materials, 2019, 2(7):4782-4791.
[7] DENG Y, EAMES C, CHOTARD JN jt. Struktuurilised ja mehaanilised ülevaated liitiumioonide kiirest juhtivusest Li4SiO4- Li3PO4 tahketes elektrolüütides. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(28):9136-9145.
[8] CHEN R, SONG X. Tahkete elektrolüütide ioonjuhtivus Li4+xMxSi1-xO4-yLi2O (M=Al, B) süsteemides. Journal of the Chinese Chemical Society, 2002, 49:7-10.
[9] ADNAN S, MOHAMED N S. Sn asendamise mõju Li4SiO4 keraamilise elektrolüüdi omadustele. Solid State Ionics, 2014, 262:559-562.
[10] SUN S, XIA Q, LIU J jt. Iseseisev hapnikupuudulik -MoO3-x nanohelveste massiivid 3D-katoodina täiustatud tahkefaasiliste õhukeste liitiumakude jaoks. Journal of Materiomics, 2019, 5(2):229-236.
[11] DING W, LU W, DENG X jt. XPS-uuring SiNx-kile struktuuri kohta, mis on sadestatud mikrolaine ECR-magnetroni pihustamisega. Acta Physica Sinica, 2009, 58(6):4109-4116.
[12] KIM H, KIM Y. Li4SiO4 osaline nitrideerimine ja Li4 ioonjuhtivus. 1SiO3. 9N0. 1Ceramics International, 2018, 44(8):9058-9062.
[13] MARIKO M, HIDEMASA K, TOMOYUKI O jt. Liitium-ioonakude SiO anoodide analüüs. Journal of The Electrochemical Society, 2005, 152 (10): A2089.
[14] FINGERLE M, BUCHHEIT R, SICOLO S jt. Reaktsioon ja ruumilaengukihi moodustumine LiCoO2-LiPON-liideses: ülevaade defektide moodustumisest ja ioonide energia taseme joondamisest kombineeritud pinnateaduse-simulatsiooni lähenemisviisi abil. Chemisty Materials, 2017, 29(18):7675-7685.
[15] WEST W, HOOD Z, ADHIKARI S jt. Laengu ülekandetakistuse vähendamine tahke elektrolüüdi-elektroodi liidesel kristallilisest Li2PO2N-allikast pärinevate kilede impulss-laser-sadestamise teel. Journal of Power Sources, 2016, 312:116-122.
[16] SICOLO S, FINGERLE M, HAUSBRAND R jt. Amorfse LiPON-i liidese ebastabiilsus liitiumi suhtes: kombineeritud tiheduse funktsionaalne teooria ja spektroskoopiline uuring. Journal of Power Sources, 2017, 354:124-133.
[17] WU F, LIU Y, CHEN R jt. Uudse Li-Ti-Si-PON õhukese kilega elektrolüüdi valmistamine ja toimimine õhukese kilega liitiumakudele. Journal of Power Sources, 2009, 189(1):467-470.
[18] PUT B, VEREECKEN M, MEERSSCHAUT J jt. Nanomõõtmeliste akude üliõhukeste RF-pihustustega LiPON-kihtide elektriline iseloomustus. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(11):7060-7069.
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Li+ Juhtivus Sol-Gel meetodil sadestatud Li-Nb-O kiledes. Solid State Ionics, 2016, 285:13-18.
[20] SONG S, LEE K, PARK H. Suure jõudlusega painduvad täistahkefaasilised mikropatareid, mis põhinevad liitiumbooroksünitriidi tahkel elektrolüüdil. Journal of Power Sources, 2016, 328:311-317.
[21] OHTSUKA H, OKADA S, YAMAKI J. Tahkisaku Li2O-V2O5-SiO2 tahke elektrolüüdi õhukese kilega. Solid State Ionics, 1990, 40-41:964-966.
[22] Kalita D, Lee S, Lee K jt. Amorfse Li-La-Zr-O tahke elektrolüüdi ioonjuhtivuse omadused õhukeste kileakude jaoks. Solid State Ionics, 2012, 229:14-19.
[23] SAKURAI Y, SAKUDA A, HAYASHI A jt. Amorfsete Li4SiO4-Li3PO4 õhukeste kilede valmistamine tahkis-liitiumakudele pulsslasersadestamise teel. Solid State Ionics, 2011, 182:59-63.
[24] TAN G, WU F, LI L jt. Magnetron-pihustamine lämmastikku sisaldavate liitium-alumiinium-titaanfosfaadipõhiste õhukese kile elektrolüütide jaoks täistahkefaasiliste liitiumioonakude jaoks. The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(5):3817-3826.
[25] YU X, BATES JB, JELLISON G jt. Stabiilne õhukese kilega liitiumelektrolüüt: liitiumfosforoksünitriid. Journal of The Electrochemical Society, 1997, 144(2):524.
[26] KIM H, COOK J, LIN H jt. Hapnikuvabad kohad parandavad MoO3-x pseudomahtuvusliku laengu salvestamise omadusi. Loodusmaterjalid, 2017, 16:454-460.
[27] SONG H, WANG S, SONG X jt. Päikeseenergial töötavad tahkisliitium-õhk akud, mis töötavad äärmuslikult madalatel temperatuuridel. Energy & Environmental Science, 2020, 13(4):1205-1211.
[28] WANG Z, LEE J, XIN H jt. Katoodelektrolüüdi liidese (CEI) kihi mõju tahkis-õhukeste akude pikaajalisele tsüklile. Journal of Power Sources, 2016, 324:342-348.
[29] QIAO Y, DENG H, HE P jt. 500 Wh/kg liitium-metallelement, mis põhineb anioonsel redoksil. Joule, 2020, 4(6):1311-1323.