本技术公开了一种F掺杂改性LiPON固态薄膜电解质及其制备方法。所述方法使用真空热压烧结工艺和磁控溅射工艺,制备出LiPFON固态电解质薄膜,以适量的F取代O位点来降低P周围的结合能,改变了薄膜中P周围的电荷分布,明显提升了固态薄膜电解质的离子电导率,而且该制备方法工艺流程简单,节省了高温成本和时间成本。
背景技术
液态锂离子电池经过多年的发展,已在多个领域得到广泛应用,包括消费电子、电动汽车和储能系统。然而,随着技术的进步,液态电池的能量密度提升遇到了瓶颈,同时存在锂枝晶生长、热失控和安全性问题。这些问题促使研究者们转向固态电解质的研究,以期解决现有技术的不足。对于下一代锂离子电池来说,固态锂离子导体是很有吸引力的电解质,因为它们可以有效抵抗锂枝晶,提高了电池安全性,而且可以通过使用锂金属负极来提高电池能量密度。
目前,固态电解质主要分为氧化物电解质、硫化物电解质和聚合物电解质。每种材料都有其独特的优点和挑战。氧化物电解质是目前研究最多的一类固态电解质,包括LiSiCON、NaSiCON、钙钛矿型、石榴石型和非晶态LiPON型等。其优点化学稳定性好,耐高温,不易发生化学反应。缺点是室温离子电导率相对较低,这限制了其在电池中的应用。提高室温离子电导率仍然是一个重要的研究方向。硫化物电解质在室温下的离子电导率很高,远高于氧化物电解质。但其空气稳定性差,容易与水反应生成有毒气体,这限制了其在实际应用中的广泛使用。聚合物电解质在一定温度范围内具有较高的离子电导率。但力学性能较差,对温度敏感,通常需要与其他材料复合使用,以提高其综合性能。
在全固态薄膜电池技术领域中,LiPON是公认的最有潜力也是最具实用性的电解质。目前LiPON已经商用化,LiPON由美国橡树岭实验室率先开发,在纯N2或者有一定比例的N2
/Ar气氛对Li3
PO4
靶材进行磁控溅射,其室温离子电导率达到2×10-6
S/cm,活化能为Ea=0.54eV(Joumal of Power Sources,43-44(1993)103-110)。它有着宽泛的电化学窗口,良好的化学稳定性以及优秀的力学性能,但其2×10-6
S/cm的离子电导率仍然无法满足人们的需求。
对此问题,前人对LiPON薄膜电解质做了很多研究。Young Soo Yoon对磁控溅射非晶LiPON薄膜进行200℃退火处理,使其部分结晶,成功从1.26×10-6
S/cm提升到3.31×10-
6
S/cm,并且在四天后仍能保持91.9%的离子电导率,但是这种方法提升了高温烧结的成本和时间成本(Ceramics International 46(2020)14071-14077)。近些年研究则提出了混合阳离子网络效应,Dongwook Shin制备Li3
PO4
-Li3
BO3
复合靶材,制备的LiBPON离子电导率为3.52×10-6
S/cm(Thin Solid Films 685(2019)434-439)。Frederic Le Cras则烧制Li3+
x
Six
P1-x
O4
单相晶体靶材在N2进行磁控溅射得到LiSiPON离子电导率可提升一个数量级,达到2.2×10-5
S/cm(ACS Appl.Energy Mater.2019,2,4782-4791)。
实现思路