新型锂离子电池透明正极材料LiV3O8的微观结构和嵌锂特性

With the rapid development of new intelligent electronic devices, the key component will face more challenges. For example, handheld transparent devices, intelligent packaging and electronic paper products are only one step away from reality. The key technology is lack of the transparent power supply components. As a result, it is necessary to develop a new transparent lithium-ion battery. Transparent lithium-ion batteries call for good electrochemical performance as well as excellent transparency in the visible light range. The project studies the optical performance of LiV3O8 positive electrode for the first time. Based on the characteristics of wide optical band gap and excellent lithium ion storage capacity, excellent transparent LiV3O8 films were prepared by magnetron sputtering method. The optical, electrochemical properties and intercalation mechanism of LiV3O8 have been studied as positive electrode for transparent lithium ion batteries. This project focuses on the influence of microstructure and lithium intercalation/delithiation on optical bandgap of LiV3O8, and investigates the interface matching between ZnO transparent conductive substrate and LiV3O8 electrodes. Furthermore, we also discuss the influence of conductive substrate surface morphology on optical and electrochemical properties of LiV3O8 electrodes. This project provides a new selection for the development of lithium-ion batteries.

随着新一代智能电子设备的飞速发展，其关键组成部分也将面对更多挑战。例如，手持通体透明设备、智能化包装以及电子纸产品离现实只有一步之遥，其关键在于电源部件的透明化，因此有必要研发透明锂离子电池。透明锂离子电池除了保证好的电化学性能外，还要有优良的可见光透过率。本项目首次对LiV3O8正极材料的光学性能开展研究，利用LiV3O8具有较宽的光学带隙，同时又具有优良锂离子储存能力这一特性，采用磁控溅射法制备出具有优良可见光透过率的LiV3O8薄膜。研究和探索LiV3O8作为透明锂离子电池正极材料的光学、电化学性能及其作用机理。本项目着重于揭示LiV3O8正极薄膜微观结构、嵌锂/脱锂过程对光学带隙的影响，考察ZnO透明导电膜衬底与LiV3O8电极的界面匹配问题；讨论透明导电膜衬底的表面形貌对LiV3O8电极光学、电化学性能的影响。本项目的研究为开发透明锂离子电池提供新选择方法。

随着电子信息技术的发展，越来越多的智能产品出现在人们的生活中，如透明电子器件、可穿戴电子设备、电子纸以及射频传感器等，这就为全固态透明电源的开发提供技术需求。本项目在传统锂离子电池具有理论容量高、循环性能好等优势的基础上，力图将锂离子电池电极材料透明化。本项目以锂离子电池正极材料LiV3O8为研究对象，采用中频磁控溅射法在沉积LiV3O8薄膜，通过对薄膜厚度、结构、形貌进行调控，使其同时具备锂离子的储存性及在可见光范围内的透明性。本项目深入讨论了LiV3O8透明电极的嵌锂特性，研究了嵌锂/脱锂过程对光学性能的影响。还针对透明电极材料的集流体问题，深入研究ZnO集流体对LiV3O8正极薄膜光学、电化学性能尤其是循环寿命的影响及界面匹配问题。主要研究结果如下：. 利用中频磁控溅射法制备了LiV3O8薄膜，通过对靶电流、溅射气压的优化可得到透明LiV3O8正极薄膜，其可见光透过率为68%，电化学性能优异，首次充放电比容量达到215 mAh/g。. 系统的研究了不同Al掺杂量对AZO集流体的结构与性能的影响。发现Al的掺杂可以提高ZnO薄膜的光电性能，但是过多的Al掺杂量会降低AZO薄膜的结晶质量，从而阻碍薄膜光电性能的提升。通过对不同Al掺杂量靶材的选择，发现当Al掺杂量为1%时，AZO薄膜的电阻率达到最低为4.68×10-4Ω•cm，且薄膜的性能指数达到最佳。. 深入探讨了LiV3O8薄膜结构和光学性能之间的关系，其透过率取决于薄膜的结晶状态，当薄膜为非晶结构时，其光学带隙在3.0eV以上，在可见光范围内表现出较好的透明性。而当LiV3O8薄膜为晶体结构时，其外观呈深灰色，不具有透明性。认识了透明LiV3O8电极材料在AZO透明集流体上的脱/嵌锂特性，计算得到锂离子扩散系数数量级为10−13 cm2/s，其容量衰减略快于在金属集流体上。