自支撑三维正极用于全固态薄膜锂电池

全固态薄膜锂电池具有较高的能量密度、超长的循环寿命、全固态所固有的高安全性、较高的机械强度、方便做成所需的形状和尺寸以及可以在苛刻的条件下工作(-40–150°C)。基于以上特性,全固态薄膜锂电池被认为是微电子系统电源供应中唯一可用的能源器件,同时也在超级智能卡、有源RFID标签、无线传感器、国防军工装备等方面具有广阔的应用前景。然而,当前全固态薄膜锂电池的结构主要采用二维平板式结构,电极/电解质接触界面小,在有限的立足面积内难以同时提高其能量密度和功率密度。三维薄膜锂电池,通过独特的构架设计,在增大单位立足面积活性物质负载量的同时,通过三维纳米结构的构建缩短锂离子扩散路径,同时提高电池的容量和充放电速率,是解决未来微电子器件能量需求的一种有效方式。三维薄膜锂电池的研究仍处于初期阶段,大部分研究还处在概念设计、电极制备的状态,完整的三维薄膜锂电池报道极少。对于用金属锂做负极的全固态薄膜锂电池而言,正极材料三维纳米结构的构建尤为重要,其性能直接决定了全电池的性能。然而,三维正极材料构建上的困难一直制约着三维固态薄膜电池的研究与发展。

对此,南京理工大学夏晖教授课题组采用直流磁控溅射,在导电基底上直接沉积得到了三维LiMn2O4(LMO)纳米墙阵列,并以此正极构建得到了高性能的三维LMO/LiPON/Li全固态薄膜锂电池(3D TFB)。与基于传统的LMO平面膜构建的二维全固态薄膜锂电池(2D TFB)相比,该3D TFB电池结构设计不仅可以显著增加正极/电解质的固-固接触面积,为氧化还原反应和快速离子输运提供了更多的位点和通道,而且可以提高正极体积变化的适应能力以增强机械稳定性。更重要的是,与二维结构相比,三维正极的垂直阵列结构可以有效缓解LiPON沉积过程中沉积原子对LMO表面的轰击作用,减少LMO/LiPON界面处的非晶LMO层的形成,从而有效地降低了界面阻抗,改善了固-固界面的离子传输动力学。最终,3D TFB与2D TFB 相比,展现出更高的比容量、明显提高的倍率性能和循环性能。该工作为三维正极和三维固态薄膜锂电池的制备、固态电池界面动力学的改善,实现高比能、大功率全固态锂电池提供了新的思路和策略。

相关论文“Self-standing 3D Cathodes for All-Solid-State Thin Film Lithium Batteries with Improved Interface Kinetics”已在线发表于Small (DOI: 10.1002/smll.201804149)上。

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