论文部分内容阅读
随着微机电系统(MEMS)的发展，微型设备已经进入人们的生活。大体积的外接电源限制了微设备的推广应用，同时电源也逐渐向微小型化方向发展，进一步研究将微电源跟微设备集成在同一芯片上成为了新的发展趋势。全固态薄膜锂离子电池具有能量密度高、电压高、循环性能好和安全稳定等优点，并且制备工艺与MEMS的集成相兼容，是最适合应用于MEMS器件上的集成微能源。本论文目的是研究铜掺杂对V2O5薄膜的电化学性能的影响，并以V2O5及其掺杂铜的Cu2.1VO4.4薄膜做为负极薄膜，研制了微型全固态薄膜锂离子电池。研究成果对今后的微型薄膜锂离子电池的研究和应用都具有重要的借鉴参考意义。 在本论文中，首先对全固态薄膜锂离子电池中的负极材料V2O5及其掺杂铜薄膜进行研究。研究中采用钒和铜靶材，利用磁控共溅射制备V2O5及其掺杂不同比例的铜的薄膜，并对所制备后的薄膜进行表征和分析，研究铜的掺杂比例对V2O5薄膜的结构、表面形貌和化学成分的影响。再将制备后的薄膜组装成纽扣电池，测试薄膜的电化学性能。主要结论如下: 利用射频磁控溅射钒靶材，可获得晶态V2O5，而掺杂铜后，可获得无定形态的铜钒氧化物。晶态的V2O5薄膜表面粗糙，颗粒成片状结构。铜的掺杂不仅增加了薄膜生长速率，还提高了V2O5薄膜表面的平整度，使薄膜表面更加平整光滑，同时降低了表面的颗粒尺寸，提高了薄膜的致密性。掺杂铜后的铜钒氧化物，XPS结果表明铜离子以二价铜形式存在于化合物中，随着铜的掺杂增多，V2p电子结合能会随之下降，并导致低价态钒原子的增多。 对所组装的薄膜电极进行循环伏安法和恒电流充放电测试表明，V2O5掺杂铜后有利于更多的Li+的嵌入，提高了V2O5薄膜电极的容量和循环性能，但铜的掺杂也增加了V2O5首次不可逆容量损失。铜的不同掺杂比例对V2O5电化学性能影响很大，其中Cu2.1VO4.4薄膜电极首次放电容量达到370.7μAh/cm2·μm，100次循环后还保留83.4μAh/cm2·μm，在整体上体现了较高的放电容量和较好的循环性能。 结合厦门大学萨本栋微机电中心的实验条件，本论文设计了一种可制备全固态薄膜锂离子电池的微加工工艺。以V2O5及其掺杂铜的Cu2.1VO4.4薄膜作为负极，制备了V2O5/LiPON/LiCoO2和Cu2.1VO4.4/LiPON/LiCoO2全固态薄膜锂离子电池，并对所制备的微电池进行形貌和电化学分析。所制备的微电池的活性材料层与层之间界面光滑平整，未见裂缝、微孔等缺陷。掺杂铜的Cu2.1VO4.4微电池比未掺杂的V2O5微电池在放电容量和循环性能都有明显提高。V2O5微电池和Cu2.1VO4.4微电池，在10nA的放电电流下，首次容量分别为4.1nAh和12.1nAh，在50nA放电电流下，首次容量分别为3.71nAh和10.3nAh。 本论文的主要创新性工作有:研究优化铜的掺杂比例对提高V2O5薄膜电极的电化学性能，利用磁控溅射技术制备了V2O5及其掺杂铜的薄膜，并系统研究了铜的掺杂对V2O5薄膜的晶体结构、表面形貌、化学成分以及电化学性能的影响;以V2O5及其掺杂铜的Cu2.1VO4.4薄膜作为负极，研制了V2O5/LiPON/LiCoO2和Cu2.1VO4.4/LiPON/LiCoO2微型全固态薄膜锂离子电池;采用光刻工艺、溅射工艺、剥离工艺、腐蚀工艺等MEMS微加工工艺，制备出微型全固态薄膜锂离子电池，开发出一整套工艺流程。