[发明专利]一种全固态薄膜锂离子电池用电解质薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全固态薄膜锂离子电池用电解质薄膜材料的制备方法，特别是提供一种高的离子电导率和低的电子电导率的电解质薄膜，应用于生产体积小、高能量密度、寿命长的全固态薄膜锂离子电池。

背景技术

全固态薄膜锂离子电池是随着动态随机存储器（DRAMS）、微型传感器、微电机系统（MEMS）以及植入式医疗器件等微电子器件超微型化发展而出现的一种新型能源载体。该电池因具有高能量密度、高电压、长循环寿命、高安全性能等优点而备受重视。其中，电解质作为薄膜锂电池的重要组成之一，是完成电化学反应不可缺少的部分，其性能好坏直接影响薄膜锂电池的性能。

用于全固态薄膜锂离子电池的薄膜电解质要求具有较高的离子电导率（>10^-7S/cm），很低的电子电导率和活化能，并且与电极材料接触时有较好的稳定性。目前，能同时满足以上要求的电解质体系很少，限制了全固态薄膜锂离子电池的发展。因此迫切需要寻找和开发一种性能良好的薄膜电解质材料。

为适应全固态薄膜锂离子电池对电解质薄膜的需求，美国橡树岭国家实验室（ORNL）Bates研究小组开发出一种性能稳定的玻璃态电解质薄膜材料——氮化磷酸锂（LiPON，lithium phosphorous oxynitride）。据报道，该电解质的离子电导率达2×10^-6S/cm，并且具有热力学稳定性好和电化学窗口宽等良好的电化学性能，使其对提高薄膜锂电池的综合性能起到了十分关键的作用，成为当前普遍采用的用于全固态薄膜锂离子电池的电解质薄膜材料之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种固态薄膜锂离子电池用电解质薄膜的制备新方法，为生产体积小、高能量密度、寿命长的全固态薄膜锂离子电池提供具有高的离子电导率和低的电子电导率的电解质薄膜。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种全固态薄膜锂离子电池用电解质薄膜的制备方法，所述电解质薄膜为氮化磷酸锂薄膜，特别是，所述的氮化磷酸锂薄膜为非晶无定形态，所述制备方法采用射频磁控溅射方法，具体包括依次进行的如下步骤：

①、以相对密度大于等于99%、纯度大于99.9%的Li₃PO₄作为靶材，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至1.0×10^-4Pa或以下，充入1个大气压的氦气与氢气的混合气体，混合气体中，氦气与氢气的体积比为0.2~1:1，再将室内气体压强抽至0.1~3Pa；

②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；

③、设定溅射功率范围为1W/cm²~6W/cm²，靶基距离为40mm~100mm，溅射时间为2~10小时，形成非晶无定形态的氮化磷酸锂薄膜。

根据本发明，作为靶材的Li₃PO₄的厚度一般为4~8mm。直径一般为50~60mm。

本发明还涉及一种由上述制备方法制备所得全固态薄膜锂离子电池用电解质薄膜，该电解质薄膜为非晶无定形态的氮化磷酸锂（LiPON）薄膜，其离子电导率大于2*10^-6S/cm。

所述的氮化磷酸锂薄膜的厚度可以为5~500nm。优选为50~400nm，更优选为50~200nm。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明方法制备的LiPON薄膜为非晶无定形态，离子电导率大于2×10^-6S/cm，并且具有热力学稳定性好和电化学窗口宽等良好的电化学性能，是非常理想的固体电解质材料，特别适于生产体积小、高能量密度、寿命长的全固态薄膜锂离子电池。

附图说明

图1为实施例1所得LiPON薄膜的SEM图；