薄膜锂电池

能源材料课程业

——薄膜锂电池的研究进展

院系：材料科学与工程学院

专业：金属材料与成型加工

班级：2012级金属材成1班

学号：20120800828

姓名：吴贵军

薄膜锂电池的研究进展

摘要：微电子机械系统(MEMS)和超大规模集成电路(VLSI)技术的发展对能源的微型化、集成化提出了越来越高的要求.全固态薄膜锂电池因其良好的集成兼容性和电化学性能成为MEMS和VLSI能源微型化、集成化的最佳选择.简单介绍了薄膜锂电池的构造,举例说明了薄膜锂电池的工作原理.从阴极膜、固体电解质膜、阳极膜三个方面概述了近年来薄膜锂电池关键材料的研究进展.阴极膜方面LiCoO2依旧是研究的热点,此外对LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCo1-xO2、V2O5也有较多的研究;固体电解质膜方面以对LiPON膜的研究为主;阳极膜方面以对锂金属替代物的研究为主,比如锡的氮化物、氧化物以及非晶硅膜,研究多集中在循环效能的提高.在薄膜锂电池结构方面,三维结构将是今后研究的一个重要方向.。

关键词：薄膜锂电池；微系统；薄膜：微电子机械系统随着电子集成技术的飞速发展，SO C (System on chi p) 成为

现实，电子产品在不断地小型化、微型化。以整合集成电路及机械系统，如各种传感器于同一块晶片上的技术，即微机电技术，受到了普遍重视。微小型飞行器、微小型机器人和微小型航天器等都在源源不断地出现和进一步地改进。这些微型系统的功能强大，必然对其能源系统提出了微型化的

要求。当电池系统被微型化，电池底面积小于10 m m2、功率在微瓦级以下时，被称为微电池。微电池的制备通常是将传统的电池微型化、薄膜化。目前，用于微电池的体系有：锌镍电池、锂电池、太阳能电池、燃料电池、温差电池和核电池。锂电池是目前具有较高比能量的实用电池体系，因此人们对薄膜化的锂电池投入了大量的研究。

优点：

（1）成本低，根据Photon 的预测，预计到2012 年下降到2.08 美元/w；预计薄膜电池的平均价格能够从2.65 美元/w 降至1.11 美元/w，与晶体硅相比优势明显；而相关薄膜电池制造商的预测更加乐观，EPV 估计到2011 年，薄膜组件的成本将大大低于1 美元/w；Oerlikon 更估计2011 年GW 级别的电站其组件成本将降低于0.7 美元/w，这主要是由转化率提高和规模化带来的。

（2）弱光性好

（3）适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV)，不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等，根据需要制作成不同的透光率，代替玻璃幕墙。

缺点：

（1）效率低，单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为

10-12%，还存在一定差距。

（2）稳定性差，其不稳定性集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定。这个问题一定程度上影响了这种低成本太阳能电池的应用。

（3）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，与晶体硅电池相比，每瓦的电池面积会增加约一倍，在安装空间和光照面积有限的情况下限制了它的应用。

1 特点和应用

除了具有普通锂离子电池的优点，如电压高、无记忆效应、

对环境友好外，薄膜锂电池还具有以下优点：①由于采用真正的固态电解液，不存在泄漏问题。目前的薄膜锂电池大多采用LiP O N 固态电解液…。室温下，u 在这种材料中的电导率一般在10 S／cm 2~ 右。尽管这个数值要远远小于目前使用的液态电解液的电导率(10 ～S／cm ) ，但由于制成了薄膜状，u 的传输依然具有较快的速度。薄膜锂电池好的超高倍率(50 C 以上)放电性能就证明了这一点。②质量比容量和体积比容量都大于常规锂离子电池。东芝公司的先进锂电池(A IJB) 质量比容量为172 W IV kg，体积比容量为366 w h／L【；而不计算衬底的薄膜锂电池的质量比容量和体积比容量分别达到300 W h／ks和1300 W 1V L 以上【3J。③循环寿命长，至少在几千次以上，甚至可达到上万次【4J。④热稳定性能优良，可在一50 180 ℃的范围内使用。⑤可以根据需要制作成各种形状。薄膜锂电池可以制备在需其提供能量的器件的表面，现有的技术可以

将其制备在大部分材料之上，尤其是硅锗等半导体材料上。⑥不受重力和静水压力的影响，这意味着薄膜锂电池可以被广泛使用于太空和水下的操作系统。⑦价格随尺寸变化小，这意味着大规模的

制备将会降低其成本。薄膜锂电池是根据微型系统对其供应能

量部分的要求而制备的。薄膜锂电池的应用领域主要有：①医疗器械，如心脏起搏器等；②日用消费品，如芯片等；③军事，如微卫星等。

2 研究与开发

J．B ．Bates领导的实验小组对薄膜锂电池进行了10 多年的研究，已有相关电极材料和电池制造技术的专利近2o 项J。他们采用磁控溅射技术制备薄膜锂电池和锂离子电池，整个单体电池的厚度小于15 1。图1 是该电池的剖面图。

图1 薄膜锂电池的剖面图F ig ．1 C ross section of thin fi lm

lithium battery该电池的各个薄膜层，采用半导体和光学制造工艺上使用的溅射或蒸发方法制备。衬底往往是多层膜，片、金属箔片、塑料都可以作为基本衬底J，但需要镀上一层导电金属层。以半导体集成工艺所使用的硅片作为衬底，此时需要在硅片上先沉积一层T i 膜作为粘结层，然后沉积上一层金属膜M (M =P t、A u、Pd ) 作为集流体。使用的正极材料有：LiCoO 2、LiM n204、V 2o5 等[ 。电解液采用固态锂离子导体，这是实现锂电池全固态的关键。J．B ．Ba tes 等】将P o4 在N2 气氛下通过射频磁控溅射，获得典型组成为．9P0 3．3N o．36的膜，该材料

25 ℃时的离子电导率为 2 ×10 ～S／cm ，Li 扩散系数为1 0 -1 cm 2／s，电子电导率小于10 -1‘S／cm 。负极膜有3 类：金属锂、可嵌入u 的化合物和无锂负极。可嵌u 的化合物有SIT O N (SiSno．9O N 1．9) 、SnN (0 < < 1 ．33) 、InN (0 < < 1 )等J。使用无锂负极的原理是：制备时只沉积负极集流体，然后利用电池首次充电时沉积在集流体上的金属锂作为负极，负极就基本不会有多余的锂存在J。整个锂电池最外层的保护层是L i3PO 4 或聚对二甲苯+ T i。除了磁控溅射的工艺，目前还有脉冲激光沉积法、电子束蒸发法、静电喷雾热解法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法等方法可以用来制备正极膜L9J。美国Infin ite Pow er Solutions (iPS ) 公司采用O ak m d 实验室的技术，制备了商用的薄膜锂电池( 品