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全固態薄膜鋰電池是一種薄膜化的鋰離子電池，是利用各種成膜技術在某種襯底(如單晶硅片)上依次沉積正極集流體、正極膜、固體電解質膜、負極膜、負極集流體來構成，根據需要在薄膜電池上沉積3．0～5．0 m厚的封裝層對薄膜電池進行保護。

科研人員正在大力發展基于固體電解質的鋰離子電池，它具有顯著的優點：

(1)相對于液體電解質，固體電解質不揮發，一般不可燃，因此采用固體電解質的固態電池會具有優異的安全性；

(2)由于固體電解質能在寬的溫度范圍內保持穩定，因此全固態電池能夠在寬的溫度范圍內工作，特別是高溫下；

(3)一些固體電解質對水分不敏感，能夠在空氣中長時間保持良好的化學穩定性，因此固態電池的制造全流程不一定需要惰性氣氛的保護，會在一定程度上降低電池的制造成本；

(4)有些固體電解質材料具有很寬的電化學窗口，這使得高電壓電極材料有望應用，從而提高電池能量密度；

(5)相對于多孔的凝膠電解質及浸潤液體電解液的多孔隔膜，固體電解質致密，并具有較高的強度以及硬度，能夠有效地阻止鋰枝晶的刺穿，因此提高了安全性 。目前，LiPON的研究最為廣泛，并在微型電池中有實際應用的鋰離子固體電解質。LiPON薄膜表面平滑、潔凈，沒有裂縫或針孔等缺陷，因此可以很好地隔離正負兩極，并形成良好的接觸界面，具有薄膜電解質所需的良好性能 J。LiPON電解質薄膜已經被通過各種氣相沉積技術合成，一般情況下，通過冷壓煅燒(大約900 oC)技術制備Li，PO 靶材，通過射頻磁控濺射技術制備LiPON薄膜 ]。

國外研究現狀

電解質薄膜層目前廣泛采用的是美國橡樹嶺國家實驗室研發的LiPON薄膜。LiPON比其它含Li氧化物或硫化物玻璃的熱穩定性好，致密度高，電化學窗口達5．5 V，室溫下離子電導率達3 X 10S／cm，電子電導率低于8×10 S／cm，活化能為0．55 eV，且機械穩定性高，在循環過程中可以減少裂化或粉末化等現象 。

1993年，Bates_l 等人首次成功地研制出綜合性能較好的非晶態無機固態電解質LiPON薄膜材料，該研究小組采用射頻濺射制備薄膜技術，在純氮氣條件下濺射磷酸鋰(Li。PO )陶瓷靶材沉積了LiPON薄膜，各項電化學性能指標都非常突出。氮和氧離

子在LiPON薄膜中是以共價鍵形式連接并固定在非晶態網絡中，僅有鋰離子可以在其中移動，故薄膜電池循環性能很好。研究表明LiPON薄膜電解質的各項性能均滿足全固態薄膜鋰離子電池的要求，同時可以與晶態和非晶態的錳酸鋰、鉆酸鋰等電位較高的正極薄膜以及金屬鋰、氧化釩等負極薄膜很好地匹配，所以LiPON薄膜材料的成功開發，讓薄膜電池的研究進入了一個嶄新的階段。

對于LiPON薄膜電解質的研究，很多研究機構已取得重大突破_】 ：1999年Baba等人研發出一種典型LiXV205／LiPON／V 05結構的全固態薄膜鋰離子電池；在此基礎上，2003年該研究小組又研制出V2 05／LiP3 04／LiMn2 04／v／V2 05／Li3 PO4／LiMn2 04“堆疊式”結構的薄膜電池，有效地提高了薄膜電池的比容量。2005年Nakazawa等人用磁控濺射方法，制備了“直立型”結構的薄膜電池，增大薄膜電池有效面積，同時也提升了比容量。

2．2 國內研究現狀

相比國外，我國在薄膜鋰電池方面的研究起步較晚，主要有中國電子科技集團公司第十八研究所、復旦大學、國防科技大學、南開大學、廈門大學、武漢大學、武漢理工大學等開展了這方面研究工作。2002年，Zhao_l 等首次成功利用脈沖激光沉積(PLD)技術成功制備出固態電解質LiPON薄膜，常溫下擁有0．58 eV的離子電導活化能，離子電導率達到1．6×10一S／cm；2004年，劉文元等 利用電子束蒸發和氮等離子體輔助一起制備出非晶態結構的LiPON薄膜電解質，離子導電率可達6．0×10S／cm，電化學穩定窗口高于5．0 V。2007～2010年，丁飛 l 。 等采用射頻磁控濺射法，通過優化條件成功制備了電導率達2．1×10S／cm的摻雜LiPON電解質薄膜，達到目前LiPON電解質薄膜電導率研究的最高水平，且LiPON薄膜的沉積速度經計算為0．05 rn／h，達到了較高的制備速度。傅正文等通過采用PLD和RMP技術制備了一系列納米薄膜電極材料，其中包括金屬氧化物、金屬氟化物、金屬氮化物、金屬硒化物、金屬磷化物等納米薄膜電極，并研究了其電化學性能。

磷酸鋰陶瓷靶材的展望

國外學者C．S．Nimisha等 和國內復旦大學的劉文元等通過實驗研究了LiPON薄膜在不同環境中放置后的形貌、組成和性能的變化。結果表明，Li—PON薄膜在干燥環境中放置24 h后，其組成和性能沒有發生明顯的變化；而在濕度為40％的環境中放置同樣的時間后，薄膜由透明轉變為淺灰色，且透明度有很大的下降。LiPON薄膜發生了明顯的水解反應，平滑致密的薄膜表面形貌變得疏松、局部有突起，薄膜中的P元素減少，并檢測到薄膜中有多晶Li CO 生成；水解反應使LiPON薄膜的電學和電化學性能出現惡化跡象 J。

雖然LiPON薄膜作為電解質有諸多優點，但是其在潮濕環境中易于水解還原是一個不能回避的問題，其嚴重抑制了LiPON薄膜的使用和阻礙固態薄膜電池的發展。這一問題，可以通過摻雜金屬離子來提高LiPON薄膜的穩定性 以及通過摻雜磷酸鋰粉體制備相應的陶瓷靶材。但是，具體的摻雜元素以及摻雜量有待研究。

此外，當前常用的物理成膜設備(脈沖激光沉積、射頻磁控濺射技術等)昂貴，成膜效率低，難以制備大尺寸薄膜鋰電池，物理成膜后的電極膜是非晶態，通常需要經過一個退火處理，這樣既增加了電極制備難度又限制了一些襯底的使用。可開發化學法制備薄膜電極，如采用電化學沉積的方法在基體上鍍上一層薄的電極材料，通過水、溶／溶劑熱法直接在基體上生長一層電極材料。固體電解質LiPON的離子電導率大約為10I”S／cm，比純液態電解質低2～3個數量級。現有的物理方法所獲得的固體薄膜離子電導率較低、物理性能較難控制、薄膜制備效率低下嚴重阻礙薄膜鋰離子電池的發展。因此，改進Li—PON電解質膜的制備技術，對LiPON進行摻雜改性，開發新型的高電導率固體電解質是固態薄膜鋰電池和儲能領域的重要課題之一。開發新的正負極材料，選擇合適的電極材料作正負極，采用新的電極成膜技術是制備出高性能薄膜鋰電池的關鍵。