微电子器件用新型全固态薄膜锂离子电池的研究

要成为微电子器件的理想电源，薄膜锂离子电池需要进一步提高其能量密度、功率密度和高温稳定性能。本项目拟制备具有高电位和大比容量的薄膜正极，通过匹配硅基薄膜负极和LiPON电解质，制备新型的薄膜锂离子电池；采用脉冲激光沉积法制备高电位LiNi0.5-xRuxMn1.5O4和大比容量Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 薄膜正极，系统研究薄膜的微观结构、表面形貌及组成对其电化学性能的影响，从而优化沉积条件，制备具有高能量密度和高功率密度的薄膜正极；采用薄膜电极，测量锂离子在薄膜中的扩散系数，研究影响锂离子跃迁势垒的参数，通过调控薄膜的结构参数、取向及组成来提高锂离子迁移能力；系统地测试和评价新型的薄膜锂离子电池的高低温充放电性能和循环性能，为其工业应用提供基础数据。该薄膜电池结构，克服了使用金属锂膜负极的高温不稳定性，又因其采用高电位和大比容量的薄膜正极，有希望进一步提高电池的能量密度和功率密度。

本项目为进一步提高薄膜锂离子电池的能量密度和功率密度，开展了新型具有高电位、大比容量薄膜正极以及大比容量、高倍率性能薄膜负极的研究。项目进行三年来，进展顺利，在锂离子薄膜电池正、负极材料的研究上均取得了重要的研究成果。在正极材料方面，采用脉冲激光沉积等方法，成功制备高性能LiNi0.5Mn0.5O2薄膜正极材料，进一步提高了正极材料的比容量和能量密度。在正极材料三维纳米结构的研究上取得重要突破，成功制备了三维LiCoO2 纳米线阵列。该纳米线阵列表现出高比容量、优异的倍率性能和循环性能，为新一代三维薄膜电池的开发提供了新思路。该研究成果发表在Nature旗下期刊《NPG Asia Materials》（影响因子9.9）。负极材料方面，采用脉冲激光沉积等方法，用金属Mn作为靶材，通过调节沉积过程中的氧分压，分别成功制备了MnO、Mn3O4和Mn2O3薄膜负极。其中，Mn3O4薄膜负极，不仅具有较高的比容量~800 mAh/g，而且具有较好的循环性能和倍率性能。在负极材料三维复合纳米结构的研究上取得重要突破，成功制备“核-壳”结构的TiO2@Fe2O3复合纳米线阵列，通过TiO2和Fe2O3之间的“协同”作用，有效提高复合电极的比容量、循环性能及倍率性能。该研究成果发表在《Nano Research》（影响因子6.9）。在复合材料的研究上，成功制备了Fe2O3量子点/功能石墨烯复合电极材料。该复合电极材料具有极小的Fe2O3 颗粒尺寸（~2nm）和较好的纳米颗粒分散性，通过石墨稀导电网络的构建，表现出高比电容和优异的倍率性能。该成果发表在《Advanced Functional Materials》（影响因子10.4）。在此课题的资助下，三年以来一共发表SCI索引论文27篇， 申请国家专利3项，培养硕士研究生6名。