Rozwój zastosowań wszystkich cienkowarstwowych baterii litowych półprzewodnikowych

Rozwój chemicznych źródeł energii zmierza w kierunku wysokiej energii właściwej, długiej żywotności i wysokiego bezpieczeństwa. Cienkowarstwowe baterie litowe w całości półprzewodnikowe stały się najpopularniejszym typem baterii litowych. Nieorganiczne, w pełni półprzewodnikowe cienkowarstwowe baterie litowe wykorzystują cienkowarstwowe elektrody dodatnie i ujemne oraz cienkowarstwowe elektrolity stałe. Morfologia cienkowarstwowa stałego elektrolitu umożliwia zastąpienie ciekłego elektrolitu stałym elektrolitem o niższej przewodności jonowej. Morfologia cienkowarstwowa elektrod dodatnich i ujemnych umożliwia zastosowanie wielu materiałów dodatnich i ujemnych o dużych zmianach ładunku i objętości wyładowania, takich jak lit metaliczny i cienkowarstwowy krzem. Jednocześnie, ze względu na morfologię cienkowarstwowych cienkowarstwowych baterii litowych, można je łatwo przetworzyć na baterie o rozmiarze mikronów, a nawet przeprowadzić dalsze badania nad bateriami o rozmiarach nanometrycznych. W związku z tym cienkowarstwowe baterie litowe stały się nie tylko ośrodkiem badań chemicznych źródeł energii nowej generacji, ale także nieuniknionymi badaniami nad mikro-bateriami. Kierunek rozwoju.

Obecne kierunki badań nieorganicznych, całkowicie półprzewodnikowych, cienkowarstwowych baterii litowych są głównie podzielone na: (1) Badania i rozwój nowych struktur baterii, poprawę pojemności baterii na jednostkę powierzchni i mocy rozładowania oraz rozwiązanie problemu niskiego obszaru jednostkowego pojemność i moc cienkowarstwowych baterii litowych: (2) Badania nad nowymi typami elektrolitów stałych o wysokiej przewodności jonowej w celu rozwiązania problemu niskiego przewodnictwa jonów litu w nieorganicznych elektrolitach stałych: (3) Badania nowych typów elektrod dodatnich i ujemnych tak, aby elektrody dodatnie i ujemne po utworzeniu filmu miały lepsze

1. Badania budowy cienkowarstwowych baterii litowych

Cienkowarstwowa bateria litowa przyjmuje klasyczną laminowaną strukturę, która jest prosta w budowie i łatwa w obróbce. Jednak w celu dalszej poprawy wydajności baterii, badania nad strukturą cienkowarstwowej baterii litowej są stopniowo zwiększane, zwłaszcza cienkowarstwowa bateria litowa o strukturze 3D stała się punktem zainteresowania badawczego ze względu na dobre oczekiwania dotyczące wydajności. W strukturze 3D cienkowarstwowej baterii litowej jest podobna do porowatej struktury baterii 3D. Ten rodzaj baterii jest przetwarzany za pomocą wielu regularnie rozmieszczonych mikroporów na krzemowym podłożu, a warstwa TiN stanowiąca barierę dyfuzyjną Li jest osadzana w mikroporach, a następnie krzem jest używany jako elektroda ujemna. LiPON to elektrolit, LiCoO2 to dodatnia elektroda tworząca akumulator.

2. Badania nieorganicznego elektrolitu stałego

Baterie wykorzystujące nieorganiczne elektrolity stałe mają wiele zalet w stosunku do baterii elektrolitowych, takich jak stabilność elektrochemiczna, stabilność termiczna, odporność na wstrząsy, odporność na uderzenia, brak problemów z wyciekami i zanieczyszczeniami oraz łatwa miniaturyzacja i tworzenie cienkich warstw. Dobry nieorganiczny elektrolit stały powinien mieć następujące cechy: (1) Wysokie przewodnictwo jonów litu i prawie pomijalne przewodnictwo elektronowe w stanie aktywnym litu i zakresie temperatur otoczenia; (2) Musi być stabilny w reakcjach elektrochemicznych, w szczególności Interfejs stykający się z elektrodą ujemną litu lub stopu litu; (3) Aby go użyć, elektrolit stały musi być przyjazny dla środowiska, nietoksyczny, tani i łatwy w przygotowaniu, a najlepiej, aby współczynnik rozszerzalności cieplnej był zgodny przynajmniej z elektrodami po obu stronach nie różni się zbytnio.

(1) Krystaliczny nieorganiczny elektrolit

Obecnie w wielu doniesieniach krystaliczne elektrolity nieorganiczne wykazują wysokie przewodnictwo jonowe i można je podzielić na elektrolity stałe typu NASICON, typu LISICON, typu tio-LISICON, typu perowskit i inne. Struktura stałego elektrolitu NASICON to ogólnie M [A2B3O12]. Chociaż elektrolit NASICON ma wysoką przewodność jonową, produkt T jest łatwo redukowany przez metaliczny lit, co powoduje niestabilny kontakt z metalem litu.

LISICON ma również wysoką przewodność jonową. Jego typową strukturą jest elektrolit typu Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON poprawiający przewodnictwo jonowe elektrolitu. W elektrolicie typu LISICON zamiast tlenu stosowana jest siarka, np. Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4. W innych nowych materiałach przewodnictwo jonowe może osiągnąć 6,5 × 10-5S / cm.

Obecne kierunki badań nieorganicznych, całkowicie półprzewodnikowych, cienkowarstwowych baterii litowych są głównie podzielone na: (1) Badania i rozwój nowych struktur baterii, poprawę pojemności baterii na jednostkę powierzchni i mocy rozładowania oraz rozwiązanie problemu niskiego obszaru jednostkowego pojemność i moc cienkowarstwowych baterii litowych: (2) Badania nad nowymi typami elektrolitów stałych o wysokiej przewodności jonowej w celu rozwiązania problemu niskiego przewodnictwa jonów litu w nieorganicznych elektrolitach stałych: (3) Badania nowych typów elektrod dodatnich i ujemnych tak, aby elektrody dodatnie i ujemne po utworzeniu filmu miały lepsze

1. Badania budowy cienkowarstwowych baterii litowych

Cienkowarstwowa bateria litowa przyjmuje klasyczną laminowaną strukturę, która jest prosta w budowie i łatwa w obróbce. Jednak w celu dalszej poprawy wydajności baterii, badania nad strukturą cienkowarstwowej baterii litowej są stopniowo zwiększane, zwłaszcza cienkowarstwowa bateria litowa o strukturze 3D stała się punktem zainteresowania badawczego ze względu na dobre oczekiwania dotyczące wydajności. W strukturze 3D cienkowarstwowej baterii litowej jest podobna do porowatej struktury baterii 3D. Ten rodzaj baterii jest przetwarzany za pomocą wielu regularnie rozmieszczonych mikroporów na krzemowym podłożu, a warstwa TiN stanowiąca barierę dyfuzyjną Li jest osadzana w mikroporach, a następnie krzem jest używany jako elektroda ujemna. LiPON to elektrolit, LiCoO2 to dodatnia elektroda tworząca akumulator.

2. Badania nieorganicznego elektrolitu stałego

Baterie wykorzystujące nieorganiczne elektrolity stałe mają wiele zalet w stosunku do baterii elektrolitowych, takich jak stabilność elektrochemiczna, stabilność termiczna, odporność na wstrząsy, odporność na uderzenia, brak problemów z wyciekami i zanieczyszczeniami oraz łatwa miniaturyzacja i tworzenie cienkich warstw. Dobry nieorganiczny elektrolit stały powinien mieć następujące cechy: (1) Wysokie przewodnictwo jonów litu i prawie pomijalne przewodnictwo elektronowe w stanie aktywnym litu i zakresie temperatur otoczenia; (2) Musi być stabilny w reakcjach elektrochemicznych, w szczególności Interfejs stykający się z elektrodą ujemną litu lub stopu litu; (3) Aby go użyć, elektrolit stały musi być przyjazny dla środowiska, nietoksyczny, tani i łatwy w przygotowaniu, a najlepiej, aby współczynnik rozszerzalności cieplnej był zgodny przynajmniej z elektrodami po obu stronach nie różni się zbytnio.

(1) Krystaliczny nieorganiczny elektrolit

Obecnie w wielu doniesieniach krystaliczne elektrolity nieorganiczne wykazują wysokie przewodnictwo jonowe i można je podzielić na elektrolity stałe typu NASICON, typu LISICON, typu tio-LISICON, typu perowskit i inne. Struktura stałego elektrolitu NASICON to ogólnie M [A2B3O12]. Chociaż elektrolit NASICON ma wysoką przewodność jonową, produkt T jest łatwo redukowany przez metaliczny lit, co powoduje niestabilny kontakt z metalem litu.

LISICON ma również wysoką przewodność jonową. Jego typową strukturą jest elektrolit typu Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON poprawiający przewodnictwo jonowe elektrolitu. W elektrolicie typu LISICON zamiast tlenu stosowana jest siarka, np. Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4. W innych nowych materiałach przewodnictwo jonowe może osiągnąć 6,5 × 10-5S / cm.