Сравнение характеристик тонкопленочных аккумуляторов с композитным анодом Si@O@Al и металлическим литием, сформированным in situ методом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе сравниваются характеристики твердотельных тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов со структурой Ti/Анод/LiPON/LiCoO2/Ti и безанодного варианта Ti/LiPON/LiCoO2/Ti. В качестве анодов использовались композит Si@O@Al толщиной 154 и 15 нм, а также предварительно литированный композит LixSi@O@Al толщиной 192 нм. В “безанодном” варианте литиевый анод формировался методом in situ. Аккумуляторы с анодами Si@O@Al толщиной 154 нм и LixSi@O@Al отличаются хорошей циклируемостью, что обусловлено умеренным изменением объема во время внедрения/экстракции ионов лития и надежным сцеплением с твердым электролитом LiPON. Аккумуляторы с литиевым анодом, сформированным in situ, перспективны с точки зрения высокой удельной энергоемкости, но имеют плохую циклируемость из-за отслоения верхнего токоотвода. Введение слоя Si@O@Al толщиной ~15 нм между LiPON и токоотводом позволяет сохранить высокую энергоемкость, характерную для литиевых анодов, и улучшить циклируемость.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Курбатов

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: kurbatov-93@bk.ru
Россия, ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, 117198

Л. А. Мазалецкий

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: kurbatov-93@bk.ru
Россия, ул. Советская, 14, Ярославль, 150003

А. А. Мироненко

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: kurbatov-93@bk.ru
Россия, ул. Советская, 14, Ярославль, 150003

В. В. Наумов

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: kurbatov-93@bk.ru
Россия, ул. Советская, 14, Ярославль, 150003

А. С. Рудый

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: rudy@uniyar.ac.ru
Россия, ул. Советская, 14, Ярославль, 150003

А. М. Скундин

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: kurbatov-93@bk.ru
Россия, Москва

Д. Э. Пухов

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: kurbatov-93@bk.ru

Ярославский филиал 

Россия, Ярославль

М. А. Смирнова

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: kurbatov-93@bk.ru
Россия, ул. Советская, 14, Ярославль, 150003

Список литературы

  1. Skundin, A., Kulova, T., Rudy, A., and Mironenko, A., All solid state thin-film lithium-ion batteries: materials, technology, and diagnostics. CRC Press, 2021, 201 p.
  2. Xia, Q., Zan, F., Zhang, Q., Liu, W., Li, Q., He, Y., Hua, J., Liu, J., Xu, J., Wang, J., Wu, C., and Xia H., All‐solid‐state thin film lithium/lithium‐ion microbatteries for powering the Internet of things, Adv. Mater., 2023, vol. 35, p. 2200538. doi: 10.1002/adma.202200538
  3. Kuriyama, T., Suzuki, A., Okamoto, Y., Kimura, I., Morikawa, Y., and Mita, Y., A micromachined all-solid on-chip thin-film battery towards uninterruptible photovoltaic cells, 2018 Symposium on Design, Test, Integration & Packaging of MEMS and MOEMS (DTIP). IEEE, 2018. p. 1. doi: 10.1109/DTIP.2018.8394215
  4. Kasemchainan, J. and Bruce, P.G., All-solid-state batteries and their remaining challenges, Johnson Matthey Technol. Rev., 2018, vol. 62, p. 177. doi: 10.1595/205651318X696747
  5. Wu, B., Chen, C., Danilov, D.L., Eichel, R.A., and Notten, P.H., All-solid-state thin film Li-ion batteries: New challenges, new materials, and new designs, Batteries, 2023, vol. 9, no. 3, p. 186. doi: 10.3390/batteries9030186
  6. Kerman, K., Luntz, A., Viswanathan, V., Chiang, Y.M., and Chen, Z., Practical challenges hindering the development of solid state Li-ion batteries, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, p. A1731. doi: 10.1149/2.1571707jes
  7. Bates, J.B., Dudney, N.J., Gruzalski, G.R., Zuhr, R.A., Choudhury, A., Luck, C.F., and Robertson, J.D., Electrical properties of amorphous lithium electrolyte thin films, Solid State Ionics, 1992, vol. 53‒56, p. 647. doi: 10.1016/0167-2738(92)90442-R
  8. Васильев, С.В., Геращенко, В.Н., Кулова, Т.Л., Лебедев, М.Е., Мазалецкий, Л.А., Метлицкая, А.В., Мироненко, А.А., Московский, С.Б., Никольская, Н.Ф., Пухов, Д.Э., Рудый, А.С., Скундин, А.М., Сологуб, В.А., Федоров, И.С., Чурилов, А.Б. Тонкопленочный положительный электрод на основе оксидов ванадия для литий-ионных аккумуляторов. Микроэлектроника. 2016. Т. 45. C. 363. doi: 10.7868/S0544126916050112 [Vasil’ev, S.V., Gerashchenko, V.N., Kulova, T.L., Lebedev, M.E., Mazaletskii, L.A., Metlitskaya, A.V., Mironenko, A.A., Moskovskii, S.B., Nikol’skaya, N.F., Pukhov, D.E., Rudyi, A.S., Skundin, A.M., Sologub, V.A., Fedorov, I.S., and Churilov, A.B., Thin-film positive electrode based on vanadium oxides for lithium-ion accumulators, Russ. Microelectron., 2016, vol. 45, p. 335.] doi: 10.1134/S1063739716050115
  9. Julien, C.M. and Mauger, A., Review of 5-V electrodes for Li-ion batteries: status and trends, Ionics, 2013, vol. 19, p. 951. doi: 10.1007/s11581-013-0913-2
  10. Dudney, N.J., West, W.C., and Nanda, J., Handbook of solid-state batteries: 2nd Edition. Eds. World Scientific, 2015. vol. 6, 822 p.
  11. Phan, V.P., Pecquenard, B., and Le Cras, F., High‐performance all‐solid‐state cells fabricated with silicon electrodes, Adv. Funct. Mater., 2012, vol. 22, p. 2580. doi: 10.1002/adfm.201200104
  12. Pearse, A.J., Schmitt, T.E., Fuller, E.J., El-Gabaly, F., Lin, C.F., Gerasopoulos, K., Kozen, A.C., Talin, A.A., Rubloff, G., and Gregorczyk, K.E., Nanoscale solid state batteries enabled by thermal atomic layer deposition of a lithium polyphosphazene solid state electrolyte, Chem. Mater., 2017, vol. 29, p. 3740. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b00805
  13. Mironenko, A.A., Fedorov, I.S., Rudy, A.S., Andreev, V.N., Gryzlov, D.Y., Kulova, T.L., and Skundin, A.M., Charge–discharge performances of the Si–O–Al electrodes, Monatsh. Chem., 2019, vol. 150, p. 1753. doi: 10.1007/s00706-019-02497-1
  14. Рудый, А.С., Мироненко, А.А., Наумов, В.В., Федоров, И.С., Скундин, А.М., Торцева, Ю.С. Тонкопленочные твердотельные литий-ионные аккумуляторы системы LiCoO 2 /LiPON/Si@O@Al. Микроэлектроника. 2021. Т. 50. С. 370. doi: 10.31857/S0544126921050057 [Rudy, A.S., Mironenko, A.A., Naumov, V.V., Fedorov, I.S., Skundin, A.M., and Tortseva, Yu.S., Thin-Film Solid State Lithium-Ion Batteries of the LiCoO 2 /Lipon/Si@O@Al System, Russ. Microelectron., 2021, vol. 50, p. 333.] doi: 10.1134/S106373972105005X
  15. Neudecker, B.J., Dudney, N.J., and Bates, J.B., “Lithium-Free” thin-film battery with in situ plated Li anode, J. Electrochem. Soc., 2000, vol. 147, p. 517. doi: 10.1149/1.1393226
  16. Yamamoto, T., Iwasaki, H., Suzuki, Y., Sakakura, M., Fujii, Y., Motoyama, M., and Iriyama, Y., A Li-free inverted-stack all-solid-state thin film battery using crystalline cathode material, Electrochem. Commun., 2019, vol. 105, p. 1. doi: 10.1016/j.elecom.2019.106494
  17. Lee, S.H., Liu, P., and Tracy, C.E., Lithium thin-film battery with a reversed structural configuration SS/Li/Lipon/ Li x V 2 O 5 /Cu, Electrochem. Solid-State Lett., 2003, vol. 6, p. A275. doi: 10.1149/1.1623171
  18. Xie, Z., Wu, Z., An, X., Yue, X., Wang, J., Abudula, A., and Guan, G., Anode-free rechargeable lithium metal batteries: Progress and prospects, Energy Storage Mater., 2020, vol. 32, p. 386. doi: 10.1016/j.ensm.2020.07.004
  19. Liu, S., Jiao, K., and Yan, J., Prospective strategies for extending long-term cycling performance of anode-free lithium metal batteries, Energy Storage Mater., 2023, vol. 54, p. 689. doi: 10.1016/j.ensm.2022.11.021
  20. Jo, C.-H., Sohn, K.-S., and Myung, S.-T., Feasible approaches for anode-free lithium-metal batteries as next generation energy storage systems, Energy Storage Mater., 2023, vol. 57, p. 471. doi: 10.1016/j.ensm.2023.02.040
  21. Bates, J.B., Dudney, N.J., Neudecker, B.J., Hart, F.X., Jun, H.P., and Hackney, S.A., Preferred orientation of polycrystalline LiCoO 2 films, J. Electrochem. Soc., 2000, vol. 147, p. 59. doi: 10.1149/1.1393157
  22. Fleutot, B., Pecquenard, B., Martinez, H., Letellier, M., and Levasseur, A., Investigation of the local structure of LiPON thin films to better understand the role of nitrogen on their performance, Solid State Ionics, 2011, vol. 186, p. 29. doi: 10.1016/j.ssi.2011.01.006
  23. Akimoto, J., Gotoh, Y., and Oosawa, Y., Synthesis and structure refinement of LiCoO 2 single crystals, Solid State Chem., 1998, vol. 141, p. 298. doi: 10.1006/jssc.1998.7966
  24. Reimers, J.N. and Dahn, J.R., Electrochemical and in situ X-ray diffraction studies of lithium intercalation in Li x CoO 2 , J. Electrochem. Soc., 1992, vol. 139, p. 2091. doi: 10.1149/1.2221184
  25. Bates, J.B., Dudney, N.J., Neudecker, B., Ueda, A., and Evans, C.D., Thin-film lithium and lithium-ion batteries, Solid State Ionics, 2000, vol. 135, p. 33. doi: 10.1016/S0167-2738(00)00327-1
  26. Кулова, Т.Л., Скундин, А.М., Андреев, В.Н., Грызлов, Д.Ю., Мироненко, А.А., Рудый, А.С., Гусев, В.Н., Наумов, В.В. Исследование тонкопленочных электродов системы кремний-ку алюминий-кислород для литий-ионного аккумулятора. Электрохимическая энергетика. 2013. Т. 13. №. 3. С. 136. [Kulova, T.L., Skundin, A.M., Andreev, V.N., Gryzlov, D.Yu., Mironenko, A.A., Rudy, A.S., Gusev, V.N., and Naumov, V.V., A Study of thin-film electrodes of silicon‒aluminum‒oxygen system for lithium-ion battery, Elektrokhimicheskaya Energetika (in Russian) 2013, vol. 13, no. 3, p. 136.]
  27. Liao, C.L. and Fung, K.Z., Lithium cobalt oxide cathode film prepared by rf sputtering, J. Power Sources, 2004, vol. 128, p. 263. doi: 10.1016/j.jpowsour.2003.09.065
  28. Prachařová, J., Přidal, J., Bludska, J., Jakubec, I., Vorlı́ček, V., Malkova, Z., Makris, T.D., Giorgi, R., and Jastrabık, L., LiCoO 2 thin-film cathodes grown by RF sputtering, J. Power Sources, 2002, vol. 108, p. 204. doi: 10.1016/S0378-7753(02)00018-6
  29. Tintignac, S., Baddour-Hadjean, R., Pereira-Ramos, J.P., and Salot, R., High performance sputtered LiCoO 2 thin films obtained at a moderate annealing treatment combined to a bias effect, Electrochim. Acta, 2012, vol. 60, p. 121. doi: 10.1016/j.electacta.2011.11.033
  30. Park, H.Y., Lee, S.R., Lee, Y.J., Cho, B.W., and Cho, W.I., Bias sputtering and characterization of LiCoO 2 thin film cathodes for thin film microbattery, Mater. Chem. Phys., 2005, vol. 93, p. 70. doi: 10.1016/j.matchemphys.2005.02.024
  31. Kuwata, N., Kumar, R., Toribami, K., Suzuki, T., Hattori, T., and Kawamura, J., Thin film lithium ion batteries prepared only by pulsed laser deposition, Solid State Ionics, 2006, vol. 177, p. 2827. doi: 10.1016/j.ssi.2006.07.023
  32. Iriyama, Y., Nishimoto, K., Yada, C., Abe, T., Ogumi, Z., and Kikuchi, K., Charge-transfer reaction at the lithium phosphorus oxynitride glass electrolyte/lithium manganese oxide thin-film interface and its stability on cycling, J. Electrochem. Soc., 2006, vol. 153, p. A821. doi: 10.1149/1.2178647
  33. Liao, C.L., Lee, Y.H., and Fung, K.Z., The film growth and electrochemical properties of rf-sputtered LiCoO 2 thin films, J. Alloys Compd., 2007, vol. 436, p. 303. doi: 10.1016/j.jallcom.2006.07.033
  34. Кулова, Т.Л., Скундин, А.М., Андреев, В.Н., Грызлов, Д.Ю., Мироненко, А.А., Рудый, А.С., Гусев, В.Н., Наумов, В.В. Исследование тонкопленочных кремний-алюминиевых электродов, синтезированных в присутствии кислорода, методом циклической вольтамперометрии. Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 1298. doi: 10.7868/S0424857015120099 [Kulova, T.L., Skundin, A.M., Andreev, V.N., Gryzlov, D.Yu., Mironenko, A.A., Rudy, A.S., Gusev, V.N., and Naumov, V.V., Cyclic Voltammetry Studies of Silicon–Aluminum Thin-Film Electrodes Synthesized in the Presence of Oxygen, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 1157.] doi: 10.1134/S1023193515120095
  35. Thackeray, M.M., Baker, S.D., Adendorff, K.T., and Goodenough, J.B., Lithium insertion into Co3O4: a preliminary investigation, Solid State Ionics, 1985, vol. 17, p. 175. doi: 10.1016/0167-2738(85)90069-4
  36. Lewis, J.A., Sandoval, S.E., Liu, Y., Nelson, D.L., Yoon, S.G., Wang, R., Zhao, Y., Tian, M., Shevchenko, P., Martínez-Pañeda, E., and McDowell, M.T., Accelerated Short Circuiting in Anode‐Free Solid‐State Batteries Driven by Local Lithium Depletion, Adv. Energy Mater., 2023, vol. 13, p. 2204186. doi: 10.1002/aenm.202204186

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) – подложка с аккумуляторами после нанесения LiPON, (б) – маска для нанесения анодного слоя с дополнительным экраном, (в) – подложка после нанесения анодного слоя (в данном случае Si@O@Al).

Скачать (391KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ-изображения поперечного скола ТТЛИА: (а) – с анодом Si@O@Al толщиной 154 нм, (б) – образец с анодом Si@O@Al толщиной 15 нм, (в) – с литированным анодом LixSi@O@Al и (г) – “безанодный” образец.

Скачать (702KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр комбинационного рассеяния катодного слоя LCO, нанесенного на подложку со структурой Ti(200 нм)/SiO2 (900 нм)/Si.

Скачать (72KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение разрядных кривых анодных и “безанодных” ТТЛИА. Обозначения на рисунке: 1 – Si@O@Al (154 нм)/LiPON (500 нм)/LCO (490 нм), 2 – Si@O@Al (15 нм)/LiPON (518 нм)/LCO (474 нм), 3 – LixSi@O@Al (192 нм) /LiPON (513 нм)/LCO (672 нм) и 4 – “безанодный” ТТЛИА со структурой (in situ Li)/LiPON(571 нм)/LCO(733 нм). Плотность тока равна 32 мкА/см2, потенциальное окно 1.5 В – 3.8 для ТТЛИА с анодами Si@O@Al-154 нм и LixSi@O@Al, 3.0 – 4.0 В для “безанодного” и Si@O@Al-15 нм.

Скачать (59KB)
Метаданные
6. Рис. 5. ЦВА образцов ТТЛИА с различными анодами. Нумерация на рисунке соответствует образцам с анодами: 1 – Si@O@Al-154 нм, 2 –Si@O@Al-15 нм, 3 – LixSi@O@Al и 4 – “безанодный”. Скорость развертки потенциала – 0.5 мВ/c, пределы циклирования 1.5 В-4.2 для ТТЛИА с анодами Si@O@Al-154, Si@O@Al-15 нм и “безанодного” образца, 1.0-4.1 В для образца LixSi@O@Al.

Скачать (86KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость разрядной емкости от номера цикла. Нумерация на рисунке соответствует образцам с анодами: 1 – Si@O@Al-154 нм, 2 – Si@O@Al-15 нм, 3 – LixSi@O@Al и 4 – “безанодный”. Плотность тока заряда-разряда 32 мкА/см2. Для образцов с анодами Si@O@Al-154 нм и LixSi@O@Al использовалось потенциальное окно 1.5 – 3.8 В, для “безанодного” образца и с тонким анодом Si@O@Al-15 нм – окно 3.0 – 4.0 В.

Скачать (67KB)
Метаданные
8. Рис. 7. СЭМ-изображения поперечного скола “безанодного” ТТЛИА после циклирования.

Скачать (83KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024