鍺復(fù)合磷酸鋰固體電解質(zhì)薄膜性質(zhì)的研究.pdf

1、固體電解質(zhì)，作為一種具有離子導(dǎo)電性的固態(tài)物質(zhì)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到很多的領(lǐng)域，如新型固體電池、高溫氧化物燃料電池、離子傳導(dǎo)型傳感器件和太陽能電池等。其中固體電解質(zhì)在鋰離子電池中有著極其重要的應(yīng)用，其固態(tài)性質(zhì)可以大大提高鋰離子電池的安全性，并且使手機(jī)等電子設(shè)備實現(xiàn)超長待機(jī)。在此之前研究較多的固體電解質(zhì)薄膜為無定形態(tài)的LiPON，其離子電導(dǎo)率已達(dá)到1×10-6～3×10-6 S/cm。通過在磷酸鋰中摻雜氮元素，改善了磷酸鋰本身較差的離子電導(dǎo)率(

2、～10-18 S/cm)。近期，鍺元素和硫元素已經(jīng)被引入非薄膜態(tài)的固體電解質(zhì)，并且已經(jīng)得到了比較理想的結(jié)果。本論文在此基礎(chǔ)之上，通過射頻磁控濺射方法實現(xiàn)了對磷酸鋰的不同材料組分的復(fù)合，初步分析了復(fù)合后固體電解質(zhì)薄膜離子電導(dǎo)率提高或變化的原因，為今后進(jìn)一步開展相關(guān)工作，并構(gòu)建全固態(tài)電池提供了借鑒并奠定了基礎(chǔ)。本論文主要包括以下幾個方面的研究工作:
　　第一，采用磁控濺射方法，交替濺射磷酸鋰(Li3PO4)和鍺(Ge)靶材，制備了不同

3、厚度鍺層的三明治結(jié)構(gòu)的Li3PO4/Ge薄膜固體電解質(zhì)。通過調(diào)控鍺層的厚度，得到了電化學(xué)性質(zhì)不同的固體電解質(zhì)薄膜，并進(jìn)一步優(yōu)化鍺層厚度為20nm，獲得了電化學(xué)性能相對優(yōu)異的薄膜固體電解質(zhì)Li3PO4/Ge。其室溫下鋰離子電導(dǎo)率為1.5×10-6 S/cm左右，離子遷移數(shù)為99.97％，穩(wěn)定電壓窗口高達(dá)5V，并且時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性上都有著相對較好的表現(xiàn)。SEM（掃描電子顯微鏡）及XRD（X射線衍射）表征獲得了其形貌和結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步的

4、XPS（X射線光電子能譜）分析揭示了在這種復(fù)合的Li3PO4/Ge薄膜固體電解質(zhì)中，鍺原子可能與鋰原子和磷原子有著相互作用，這可能導(dǎo)致了快速的離子傳導(dǎo)。本工作首次提出了一種通過鍺復(fù)合來提高磷酸鋰基薄膜固體電解質(zhì)鋰離子電導(dǎo)率的方法，此方法還可拓展至其他靶材，從而實現(xiàn)不同材料的復(fù)合。交替濺射幾種靶材的工藝流程，也為以后制備薄膜固體電解質(zhì)、電極材料甚至全固體電池提供了一個新的視角。
　　第二，采用磁控濺射的方法交替濺射磷酸鋰和化合物硫化

5、鍺靶材，制備了Li3PO4/GeS2復(fù)合固體電解質(zhì)薄膜。SEM表征明確了其非三明治結(jié)構(gòu)，XRD信息則顯示了薄膜無定形的狀態(tài)。交流阻抗測試、直流極化測試和循環(huán)伏安測試揭示了其電化學(xué)性質(zhì)。而進(jìn)一步的XPS測試顯示薄膜中硫化鍺的成分并不存在或者含量極少，這表明硫化鍺在濺射過程中并沒有充分參與到薄膜的制備過程中。同時，研究了在氮?dú)夥諊拢瑔为?dú)濺射硫化鍺靶材制備的薄膜的形貌狀態(tài)和濺射后靶材狀態(tài)，進(jìn)一步分析其應(yīng)用于制備固體電解質(zhì)薄膜的可能性。