Advanced Materials:低温制备隧道孪生结构LixMnO2正极用于固态薄膜电池

在即将到来的物联网时代,微电子器件的快速发展相应地对其能源供给的微型电源提出了迫切的需求。全固态薄膜锂电池可使用薄膜沉积技术在衬底上制备而成,被认为是微电子器件(如微机电系统、微型传感器、可植入式医疗等)的理想微型电源器件。目前基于商业化正极材料(如LiCoO2和LiMn2O4)的全固态薄膜锂电池虽然具有良好的电化学性能,但这些正极薄膜的高沉积/退火温度(通常>500℃)限制了其在芯片上的集成和在微电子器件中的进一步应用。另一方面,互补金属氧化物半导体(COMS)的集成电路难以承受高温的处理过程,极大地制约着全固态薄膜锂电池基片材料的选择范围。此外,大多价格便宜且柔性强的塑料基底无法长时间承受高于200℃的处理过程,限制了全固态薄膜锂电池在柔性电子产品中的应用。因此,开发高性能的全固态薄膜锂电池正极的低温制备工艺对于扩展其潜在应用至关重要。然而,这仍然是一个巨大的挑战。

对此,南京理工大学夏晖教授、中国科学院物理研究所谷林研究员(共同通讯作者)等人提出了采用简易的电解质Li+离子注入策略,以室温下溅射的非晶MnO2-x纳米片阵列为基础,在180℃的极低温度下制备具有隧道孪生的LixMnO2纳米片阵列作为全固态薄膜锂电池的三维(3D)正极。研究表明,LixMnO2正极具有独特的隧道共生结构,其由1×3和1×2隧道交替组成,在2.0~4.3 V电压范围内表现出高的比容量和良好的结构稳定性。利用3D LixMnO2正极,作者成功构建了全固态LixMnO2/LiPON/Li薄膜锂电池(3DLMO-TFB),其3D结构极大地增加了正极/电解质接触界面,缩短了Li+的扩散距离。最终,3DLMO-TFB器件表现出较高的比容量(50 mA g-1时为185 mAh g-1)、良好的倍率性能和出色的循环性能(1000次循环后容量保持率为81.3%),优于基于在高温下制备的尖晶石型LiMn2O4薄膜正极的薄膜锂电池。重要的是,这种低温制备的高性能正极薄膜可以实现全固态薄膜锂电池在各种刚性和柔性衬底上的制备,这将极大地拓展全固态薄膜锂电池在微电子领域中的应用。

相关论文“Tunnel Intergrowth LixMnO2 Nanosheet Arrays as 3D Cathode for High-Performance All-Solid-State Thin Film Lithium Microbatteries”已在线发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003524)上。