Отрицательный электрод на основе оксида олова для тонкопленочного литий-ионного аккумулятора

Главная » Литература » Тезисы » Отрицательный электрод на основе оксида олова для тонкопленочного литий-ионного аккумулятора

Год издания: 2016

Румянцев А.М.1, Максимов М.Ю.2, Новиков П.А.2, Назаров Д.В.3, Попович А.А.2, Жданов В.В.1

1Физико-Технический институт им. Иоффе, 194021, Санкт-Петербург, Политехническая, 26

2Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29

3Санкт-Петербургский государственный университет, 198504, Санкт-Петербург, Университетский пр. 26

В последние годы повышенный интерес исследователей привлекают тонкоплёночные источники тока, которые используются для смарт-карт, чипов со встроенными блоками питания для различных портативных устройств. Применение металлического лития в качестве отрицательного электрода в этом случае сопряжено с рядом проблем, в первую очередь образованием дендритов при заряде/разряде и низким циклическим ресурсом. Соединения кремния и олова, обладая достаточно высокими значениями удельной емкости позволяют существенно увеличить циклический ресурс тонкопленочного отрицательного электрода.

Одним из наиболее перспективных методов получения тонких пленок, в том числе оксида олова, является метод атомно-слоевого осаждения (АСО). АСО уже применяется в области литий-ионных аккумуляторов для нанесения защитных покрытий на основе оксида алюминия, как непосредственно на электроды, так и на порошковые материалы электродов для предотвращения протекания нежелательных процессов на границе электрод-электролит и повышения ресурса аккумуляторов [1, 2].

Ранее было показано [3-5], что в диапазоне напряжений 2.5-0.05 В протекают фазовые превращения в результате которых происходит восстановление олова с последующим образованием интерметаллидов LixSn. Интерметаллическому соединению Li22Sn5 соответствует теоретическая емкость порядка 790 мАч/г. Однако, в работах [3,4] показано, что в некоторых случаях извлекаемая удельная емкость может превышать теоретическое значение. Исследователи в работе [6] показали, что дополнительная емкость связана с образованием Li2O.

Образцы электродов были получены методом установке Picosun R-150 с использованием тетраэлилолова и индуктивно-связанной удаленной кислородной плазмы. В качестве подложки для нанесения оксида олова использовали пластину из нержавеющей стали 316SS диаметром 15 мм. После 500 циклов нанесения была получена толщина покрытия 40нм (по эллипсометру «Эллипс 1891 САГ»). Электрохимические исследования электродов проводили в дисковых корпусах габарита CR2032 относительно металлического лития. Конечное зарядное напряжение составляло 2.5, 1.5 и 0.8 В, конечное разрядное – 0.05 при плотности 25 мкА/см2.

Исследование циклической стабильности пленок показало, что при заряде до напряжения 2.5 В происходит быстрая деградация электродов, при заряде до 1.5 В деградация заметно снизилась. При циклировании в диапазоне напряжений 0.8-0.05  В заметного падения емкости не происходит на протяжении 100 циклов. В соответствии с исследованиями [6] в данном диапазоне напряжений происходит фазовое превращение, которое в общем виде представлено в виде реакции Sn + xLi+ +  xe   ↔  LixSn  (0≤x≤4,4).

Полученные пленки способны работать  при различных скоростях разряда (рисунок 1, 25мкА/см2 соответствует току 1С), сохраняя 630 мАч/г при токе 6С.

Зависимость удельной емкости от числа циклов при различных токах разряда.

Рисунок 1. Зависимость удельной емкости от числа циклов при различных токах разряда.

Литература.

1. Popovich A.A.,  Maximov M.Yu. ,  Rumyantsev A.M.,  Novikov P.A. // russian Russian journal of applied chemistry, 2015, V. 88, №. 5, P. 898 – 899.

2.  Nazarov D. V. Bobrysheva N. P., Osmolovskayaet O. M. et al. // Rev. Adv. Mater. Sci., 2015, V. 40, P. 262 – 275

3. Chen J. S., Archer L. A., Lou X. W. // J. Mater. Chem., 2011, V. 21, P. 9912 – 9924.

4. Wu H. B., Chen J. S., Hng H. H., Lou X. W.(David) // Nanoscale, 2012, V. 4, P. 2526 – 2542.

5. Yang Z., Xifei L., Bo Y. et al. // Adv. Energy Mater. 2016,  1502175 – 1502194.

6. Kravchyk K., Protesescu L., Bodnarchuk M. I. et al. // J. Am. Chem. Soc., 2013, V. 135, N. 11, P 4199–4202.