新型固定薄膜电池的性能研究

马元良，毛多鹭，袁 静，李海琴，张以生

（青海民族大学 物理与电子信息工程学院，青海 西宁 810007）

新型固定薄膜电池的性能研究

马元良，毛多鹭，袁 静，李海琴，张以生

（青海民族大学 物理与电子信息工程学院，青海 西宁 810007）

目前固定薄膜电池的应用越来越广泛，为了研究新型固定薄膜电池的性能，本文以Fe2O3和FeF3为靶材制作固定薄膜电池，采用电子显微镜对薄膜进行扫描表征，采用三电极系统对薄膜进行电化学测量，采用SEM、XPS、TEM来检测充放电过程中的电极结构，结果只有首次放电时存在30%左右的容量损失，电位区间在0.01-4.0V之间时可逆性良好，能够达到630mAh/g的可逆放电容量，证实Fe2O3和FeF3可以作为新型固态薄膜电池的靶材，所制作的电池性能良好.

固定薄膜电池；性能；新型；电子

随着现代化科技的快速进步，电子产品不断更新换代.另一方面，随着人们生活水平的提升，对电子设备的要求也越来越高.因此在种种因素的推动下，市场中各种电子产品都向着微型化、集成化的方向发展.由于微型电子设备的大量推出，常规电源、电池使用的局限性逐渐暴露出来，传统的电池体积大、性能差，已经无法与现代化微型电子设备相匹配，因此电子设备的电池也势必要向着微型化的方向发展.固态薄膜电池具有可集成、超薄等优点，逐渐受到了人们的青睐，世界各国都加大了固定薄膜电池的研制力度，与此同时，固定薄膜电池的使用性能也成了学者们关注的重点问题.

1 固定薄膜电池的材料

1.1 常规电池的正极材料

1.1.1 LiCoO2

LiCoO2是传统锂离子电池中常用的正极材料，它的工作电压在4.0V左右,工作容量为140mAh/g.目前很多锂离子电池中仍然采用LiCoO2作为正极材料.近年来，LiCoO2逐渐应用到了固定薄膜电池中，据有关资料显示，美国的科研人员曾经以Al为衬底，以Pt为集流体，制作了LiCoO2薄膜，这种薄膜的性能很好，容量能够达到60uAh/(cm2.um).

1.1.2 LiNiO2

理论上来讲，LiNiO2的容量为275mAh/g左右，很多学者指出，LiNiO2的实际容量在150- 175mAh/g左右，各方面性能都不能够满足制作固定薄膜电池的要求，无法直接应用作固定薄膜电池的电极，但是在采取适当的方法加以改造之后，LiNiO2也可以用作固定薄膜电池的电极.也有一些专家学者表示，LiNiO2的容量比LiCoO2高很多，而且耐过充能力也要比LiCoO2强很多.另一方面，LiNiO2与LiCoO2相比，还具有成本低廉、环境污染少等优势，因此国内外很多专家学者都相继提出，在锂离子电池正极材料的选择过程中，LiNiO2将逐渐取替LiCoO2.正如众多学者所说，LiNiO2被应用到了固定薄膜电池的制作中，国外有很多科技人员已经以LiNiO2作为靶材，成功制作出了非晶态LiNiO2薄膜.

1.1.3 LiFePO4

LiFePO4成本低廉，并且具有环境污染少、能量密度高等优点.但是LiFePO4的导电性能不佳，因此在使用过程中，通常需要一些金属阳离子来增强其导电性.

1.2 固定薄膜电池正极材料改良措施

通过上文可以得知，常规电池的正极材料在使用时都存在着一定的局限性，因此常规电池的正极材料无法直接应用到固定薄膜电池之中，基于这种情况，要将常规电池正极材料应用到固定薄膜电池中，就需要对这些材料进行改良，常用的改良措施主要有以下三种：

（1）采用导电物质将材料包覆，增强材料的导电性能；

（2）调整材料结构，降低锂离子的传导距离；

（3）在材料中掺杂稀土等元素，改变材料的禁带宽度、晶体结构等特征.

1.3 固定薄膜电池负极材料

1.3.1 脱嵌负极材料

碳材料是脱嵌负极材料中的典型代表，目前石墨类碳材料广泛用于锂离子电池的负极材料.有学者指出，石墨脱嵌材料的电位较低，在0-0.2V左右，充放电性能也比较良好，同时石墨脱嵌材料的容量损失较少，损失程度在50mAh/g以下.碳材料在传统锂离子电池中的应用很广，但是目前碳材料在固定薄膜电池中应用较少.国外的科研人员采用连续沉积法，成功制作出了石墨薄膜，这种薄膜的电导性能十分良好，不过制作石墨薄膜的成本较高，很难大规模生产.

1.3.2 合金负极材料

合金负极材料是锂离子电池中常用的负极材料，例如金属锡可以与锂发生以下反应：

Sn+4.4Li++4.4e-<--->Li4.4Sn具体的反映原理如图1所示.

图1 金属锡与锂的反映原理

通过这种可逆反应，进而就能够形成锂锡合金.在金属锡与锂发生可逆性反应时，合金的体积会大幅度膨胀，并且形成的合金很脆，导致锡锂合金中的材料颗粒容易粉碎.针对这种情况，改良措施主要是引入缓冲材料，避免合金发生膨胀，防止合金材料颗粒发生集聚.

1.3.3 转化负极材料

转化负极材料的可逆容量能够达到700mAh/g以上，转化负极材料的结构中没有供锂离子插入和脱出的空隙，并且无法与锂形成合金，转化负极材料之所以可以储锂，需要通过以下反应来实现:

通过以上反应该，转化负极材料可以获得很大的比容量，同时转化负极材料在反应过程中不会发生明显的膨胀.因此有很多专家学者都提倡采用转化负极材料作为固定薄膜电池的负极材料.

2 新型固定薄膜电池的性能研究

2.1 研究资料与方法

2.1.1 研究资料

本次研究中，材料选用纯度为99%的Fe2O3和FeF3，采取1/1.5的比例将Fe2O3和FeF3压制成圆形靶材，靶材直径=1.3cm.激光与靶材表面之间的入射角度=45度.靶材与基片之间的距离=4cm，最后将靶材制作成薄膜.

2.1.2 研究方法

采用电子显微镜对薄膜进行扫描表征，采用X射线和电子显微镜来测定薄膜的结构，采用X射线光电子能谱来测定薄膜表面的元素价态，采用原子发射光谱来测定薄膜的元素组成.

采用SEM、XPS、TEM来检测充放电过程中的电极结构，进而分析薄膜的电化学反应机理.

采用三电极系统对薄膜进行电化学测量，在充氢气的手套箱中组装电池，采用电化学工作站来测定循环伏安曲线.

2.2 研究结果

首次放电时大约有30%左右的容量损失，除此之外未发生容量损失，电位区间在0.01-4.0V之间时可逆性良好，能够达到630mAh/g的可逆放电容量.

3 结束语

随着微电子设备的普及，固定薄膜电池的应用范围越来越广，世界各国都加大力度研制固定薄膜电池，虽然各国的研究工作都取得了很大进展，但是在制作固定薄膜电池的措施方面还有待完善，在以后的发展中，有关领域还要继续探索，积极寻找制作固定薄膜电池的有效手段，在此，笔者仅提出以下三点建议:

（1）要大力研制新型的正负极材料，努力提高固定薄膜电池的电化学循环性能，在未来的发展中，研究新型电极材料将是研制固定薄膜电池中的重要课题.

（2）目前，固定薄膜电池的电解质通常都采用LiPON，电导率性能较差，无法满足大电流放电的要求，因此必须要改良电解质的制作工艺，研制新型电解质，增强电解质的稳定性，提高离子传输速率.

（3）现阶段固定薄膜电池普遍采用的都是二维结构，导致一些活性物质的利用效率偏低.另一方面，现代化的微型电子设备对电源的要求很高，电池必须要具备较高的体积质量密度，因此在以后的工作中，广大科研人员要努力突破固定薄膜电池的二维结构，将多种微加工技术相互结合，制作三维结构的固定薄膜电池.

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TM914.4+2

A

1673-260 X（2013）12-0018-02

教育部“春晖计划”项目（Z20120013）