薄膜锂电池
能源材料课程业
——薄膜锂电池的研究进展
院系：材料科学与工程学院
专业：金属材料与成型加工
班级：2012级金属材成1班
学号：20120800828
姓名：吴贵军
薄膜锂电池的研究进展
摘要：微电子机械系统(MEMS)和超大规模集成电路(VLSI)技术的发展对能源的微型化、集成化提出了越来越高的要求.全固态薄膜锂电池因其良好的集成兼容性和电化学性能成为MEMS和VLSI能源微型化、集成化的最佳选择.简单介绍了薄膜锂电池的构造,举例说明了薄膜锂电池的工作原理.从阴极膜、固体电解质膜、阳极膜三个方面概述了近年来薄膜锂电池关键材料的研究进展.阴极膜方面LiCoO2依旧是研究的热点,此外对LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCo1-xO2、V2O5也有较多的研究;固体电解质膜方面以对LiPON膜的研究为主;阳极膜方面以对锂金属替代物的研究为主,比如锡的氮化物、氧化物以及非晶硅膜,研究多集中在循环效能的提高.在薄膜锂电池结构方面,三维结构将是今后研究的一个重要方向.。
关键词：薄膜锂电池；微系统；薄膜：微电子机械系统随着电子集成技术的飞速发展，SO C (System on chi p) 成为
现实，电子产品在不断地小型化、微型化。以整合集成电路及机械系统，如各种传感器于同一块晶片上的技术，即微机电技术，受到了普遍重视。微小型飞行器、微小型机器人和微小型航天器等都在源源不断地出现和进一步地改进。这些微型系统的功能强大，必然对其能源系统提出了微型化的
要求。当电池系统被微型化，电池底面积小于10 m m2、功率在微瓦级以下时，被称为微电池。微电池的制备通常是将传统的电池微型化、薄膜化。目前，用于微电池的体系有：锌镍电池、锂电池、太阳能电池、燃料电池、温差电池和核电池。锂电池是目前具有较高比能量的实用电池体系，因此人们对薄膜化的锂电池投入了大量的研究。
优点：
（1）成本低，根据Photon 的预测，预计到2012 年下降到2.08 美元/w；预计薄膜电池的平均价格能够从2.65 美元/w 降至1.11 美元/w，与晶体硅相比优势明显；而相关薄膜电池制造商的预测更加乐观，EPV 估计到2011 年，薄膜组件的成本将大大低于1 美元/w；Oerlikon 更估计2011 年GW 级别的电站其组件成本将降低于0.7 美元/w，这主要是由转化率提高和规模化带来的。
（2）弱光性好
（3）适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV)，不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等，根据需要制作成不同的透光率，代替玻璃幕墙。
缺点：
（1）效率低，单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为
10-12%，还存在一定差距。
（2）稳定性差，其不稳定性集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定。这个问题一定程度上影响了这种低成本太阳能电池的应用。
（3）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，与晶体硅电池相比，每瓦的电池面积会增加约一倍，在安装空间和光照面积有限的情况下限制了它的应用。
1 特点和应用
除了具有普通锂离子电池的优点，如电压高、无记忆效应、
对环境友好外，薄膜锂电池还具有以下优点：①由于采用真正的固态电解液，不存在泄漏问题。目前的薄膜锂电池大多采用LiP O N 固态电解液…。室温下，u 在这种材料中的电导率一般在10 S／cm 2~ 右。尽管这个数值要远远小于目前使用的液态电解液的电导率(10 ～S／cm ) ，但由于制成了薄膜状，u 的传输依然具有较快的速度。薄膜锂电池好的超高倍率(50 C 以上)放电性能就证明了这一点。②质量比容量和体积比容量都大于常规锂离子电池。东芝公司的先进锂电池(A IJB) 质量比容量为172 W IV kg，体积比容量为366 w h／L【；而不计算衬底的薄膜锂电池的质量比容量和体积比容量分别达到300 W h／ks和1300 W 1V L 以上【3J。③循环寿命长，至少在几千次以上，甚至可达到上万次【4J。④热稳定性能优良，可在一50 180 ℃的范围内使用。⑤可以根据需要制作成各种形状。薄膜锂电池可以制备在需其提供能量的器件的表面，现有的技术可以
将其制备在大部分材料之上，尤其是硅锗等半导体材料上。⑥不受重力和静水压力的影响，这意味着薄膜锂电池可以被广泛使用于太空和水下的操作系统。⑦价格随尺寸变化小，这意味着大规模的
制备将会降低其成本。薄膜锂电池是根据微型系统对其供应能
量部分的要求而制备的。薄膜锂电池的应用领域主要有：①医疗器械，如心脏起搏器等；②日用消费品，如芯片等；③军事，如微卫星等。
2 研究与开发
J．B ．Bates领导的实验小组对薄膜锂电池进行了10 多年的研究，已有相关电极材料和电池制造技术的专利近2o 项J。他们采用磁控溅射技术制备薄膜锂电池和锂离子电池，整个单体电池的厚度小于15 1。图1 是该电池的剖面图。
图1 薄膜锂电池的剖面图F ig ．1 C ross section of thin fi lm
lithium battery该电池的各个薄膜层，采用半导体和光学制造工艺上使用的溅射或蒸发方法制备。衬底往往是多层膜，片、金属箔片、塑料都可以作为基本衬底J，但需要镀上一层导电金属层。以半导体集成工艺所使用的硅片作为衬底，此时需要在硅片上先沉积一层T i 膜作为粘结层，然后沉积上一层金属膜M (M =P t、A u、Pd ) 作为集流体。使用的正极材料有：LiCoO 2、LiM n204、V 2o5 等[ 。电解液采用固态锂离子导体，这是实现锂电池全固态的关键。J．B ．Ba tes 等】将P o4 在N2 气氛下通过射频磁控溅射，获得典型组成为．9P0 3．3N o．36的膜，该材料
25 ℃时的离子电导率为 2 ×10 ～S／cm ，Li 扩散系数为1 0 -1 cm 2／s，电子电导率小于10 -1‘S／cm 。负极膜有3 类：金属锂、可嵌入u 的化合物和无锂负极。可嵌u 的化合物有SIT O N (SiSno．9O N 1．9) 、SnN (0 < < 1 ．33) 、InN (0 < < 1 )等J。使用无锂负极的原理是：制备时只沉积负极集流体，然后利用电池首次充电时沉积在集流体上的金属锂作为负极，负极就基本不会有多余的锂存在J。整个锂电池最外层的保护层是L i3PO 4 或聚对二甲苯+ T i。除了磁控溅射的工艺，目前还有脉冲激光沉积法、电子束蒸发法、静电喷雾热解法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法等方法可以用来制备正极膜L9J。美国Infin ite Pow er Solutions (iPS ) 公司采用O ak m d 实验室的技术，制备了商用的薄膜锂电池( 品
牌LIT E *STA R TM)[10】。该电池以LiCoO 2 为正极，金属锂片为负极，LiPO N 作为电解液，整个电池厚度约15 tan ，工作电压为4 ．O V ，承载电流达到20 m A ／c ，能量密度为200 W h ／kg，可在10 c 以上放电。集成在射频识别(R FID ) 卡上时，可以通过射频信号接收时产生的电流，自动进行即时的点滴式充电，因此饱和容量可以很小。原来要用190 mA h 的一次电池，可以用一个容量仅为O ．2 m A h 的薄膜锂电池替代，可以节省空间和成本，同时又保证了系统的各项功能。美国Cym bet公司生产的P O W ER FA B 薄膜锂电池[ “，给出的技术参数有：能量密度> 200 W h／Ks，70 000 次的循环寿命，50 c 的倍率放电容量利用率达80％。除了使用常规的仪器充电外，还可用射频、感应、太阳能等进行充电。除了单层的薄膜外，该公司还在研究将其制备在大面积衬底上进行卷绕，以提供较高能量的需求。美国SM FM 实验室正在研制将薄膜锂离子电池制备到高强度的聚合物纤维表面上，他们称之为能量纤维[12】。3 展望薄膜锂电池是锂(离子) 电池发展的一个方向，它以其极高的能量密度，号称无限的循环性能，以及真正意义上的全固态，在微能源领域必然会获得很大的市场。倘若可以解决大规模制作的工艺问题，薄膜锂电池的应用将扩展到现有的锂离子电池所有的应用领域。
全固态薄膜锂电池与现有锂电池的工作原理相同，最主要的区别是电池中没有有机电解液，取而代之的是固体的像纸一样的薄膜电解质，
彻底解决了电解液泄漏的安全隐患。薄膜锂电池主要由固态的基片和基片表面的固态功能薄膜层构成，功能薄膜层包括电流收集极、正极、电解质、负极和封装保护膜，厚度仅10μm。充电时，正极析出的Li+经过电解质传导到负极，在负极Li+与通过外电路达到的电子复合，形成沉积在负极表面的Li原子。放电时过程相反，Li+做反方向运动经电解质嵌入正极晶格。因在充放电过程中Li+在正负极两端“摇摆”，锂电池也常被称为“摇摆椅电池”，我更愿意把Li+想象成如特立独行的小魔女骑着魔法扫帚在正负极穿梭。
全固态锂电池除安全性较传统锂电池优越外，还兼具其他优点。比如：（1）能量密度（单位体积储存的能量）高，倍率性能好（可以简单地理解为大电流充放电，大电流充电的好处是充电速度快，如我们现在常用锂电池的充电电流为2.1A，其充电速度比原来1.0A的锂电池快很多），自放电率（能量偷偷跑掉的缺点）更低，充放电循环寿命更长，最长可达45000次（以一年365天每天充10次电计算，可以使用12年以上，设备坏了电池还好好的），并保存95%的初始容量，而普通锂电池一般在1000次循环后容量就会降到初始时的80%。（2）可以在更为苛刻的环境下使用，如耐高低温能力更强，在低温-40℃、高温150℃下性能良好，从而可用于半导体工业中的高温探测器、石油勘探和空间探测。（3）薄膜电极电势均一，电极局域过充、过放电的风险小。（4）电池可设计性更好，可以不再是小砖头的形状，或许未来会有小熊维尼或米奇形状的锂电池。然而，“理想很丰满，现实很骨感”，目前全固态薄膜锂电池还需要突破些技术难题才能应
用到实际生活。
与“一代材料，一代装备”的发展规律类似，锂电池的发展遵循“一代材料，一代电池”。材料问题是限制薄膜锂电池通向应用的康庄大道的第一道屏障。20世纪80年代，薄膜锂电池没有实现商业化的技术瓶颈主要受制于电解质膜的性能，虽然该阶段新材料层出不穷，如Li2O-P2O5-Nb2O5等电解质体系，但其稳定性差等缺点限制了电池的商业应用。直到美国橡树岭国家实验室研发出LiPON电解质，才使薄膜锂电池商业化成为可能。LiPON热稳定性好，致密度高，电化学窗口（电解质不发生电化学反应的电位区间）高达 5.5V，具有很高的机械稳定性。制约锂电池比容量（单位质量/体积的电池所能放出的电量）的关键是正极材料，在充放电过程中正极材料的晶格结构必须稳定，在锂离子嵌入/脱出后不发生大的结构塌陷，有稳定的放电平台（可以给外界负载提供稳定电压）。电解质是正负极之间的一道屏障，必须致密，能完全隔离正极和负极，既要使得Li+畅通通行又要有效地阻隔电子。锂电池正负极之间的电压差决定了电池的工作电压，高能量密度锂电池需要高电压的正极和低电位Li+氧化还原反应的负极。LiCoO2是最早实现商业化的锂电池正极，至今应用最为广泛（在传统锂电池也用它作为正极材料），其电压平台为 3.9V。目前也有提供更高工作电压的材料，如LixCoPO4的工作电压平台可达 4.9V。用作锂电池负极的材料很多，脱嵌型负极如TiO2和LixTi5O12等，反应型负极如Si、Ge、Sn等，转化型负极主要是氧
化物和氮化物。石墨烯薄膜因综合性能较为优异，国外已有人尝试将它用作电池的负极。
有了电解质、正极和负极材料，还需要有合理的制备方法才行。目前常用的方法有磁控溅射法、激光脉冲沉积法、静电喷雾法等物理法和溶胶凝胶法、化学气相沉积法等化学方法。磁控溅射法适用范围最广，但成本高，静电喷雾法和溶胶凝胶法工艺条件最简单，容易实现，但纯度低。目前薄膜锂电池制备的核心工艺难题和研究重点为：正极材料沉积和退火、电解质性能优化、电解质与电极的界面匹配和电池封装
参考文献：
1.全固态薄膜锂电池的研究进展《电源技术》2013年第7期作者：
段成丽刘全兵
2.全固态薄膜锂电池研究进展和产业化展望《航空材料学报》2014
年第6期作者：陈牧
3.全固态薄膜锂电池及其阴极薄膜材料制备技术《中国高新技术企
业》2010年第8期作者：梁科
薄膜组件与逆变器配套选型薄膜电池接地
关于薄膜组件与逆变器配套选型要求 1、对于1000V光伏系统，MPPT工作范围为400-800V，当输入电压升至（600V 左右）打开逆变器，工作电压降至（400V左右）停止工作，括号内为参考值，以实际调试为准。500V~600V应为MPPT最佳工作点即此范围内工作效率最高。 通常选择40~50W/m2辐照下为逆变器的启停点，根据本产品在50W/m2辐照下IV特性中的开压与工作电压，如图（1）所示，可计算出本光伏方阵（9串）的逆变器实际启停时的电压参考值。由于非晶硅电池的开压与工作电压之比大于晶硅电池，一般晶硅逆变器开启电压在400V左右，而非晶硅逆变器开启电压则大于500V，至于逆变器的停机电压两者则相近。 图（1） 2、相应加宽MPPT跟踪步进电压。 由图（2）可看出：由于晶硅电池组件的填充因子FF较高，近似电流源，功率峰值尖; 非晶硅薄膜电池组件的FF相对较低，功率峰值附近曲线较平缓。
图（2） 当MPPT以相同ΔU检测电流瞬间变化时，非晶硅薄膜电池ΔI数值比晶硅电池的值小得多，导致非晶硅组件MPPT追踪相对滞后，甚至失去方向的判断能力，导致故障。 常见故障（1）当辐照度连续剧烈波动时，会导致逆变器功率追踪不到位，如某逆变器会报出方阵电压波动太大的故障； 常见故障（2）易出现在开启阶段，此时输入功率曲线可能有多个波峰波谷，相对较小ΔU会造成MPPT停留在前1个较大的波峰，无法进入之后最大功率峰，
如某逆变器在自动启动阶段输出功率不会随输入功率快速上升，手动复位后，输出正常。 解决方法是调宽MPPT步频电压ΔU，它能解决MPPT追踪滞后问题，突破输入功率曲线多峰谷的困扰，由于非晶硅的最大功率曲线区域较宽，ΔU增大并不会降低最大功率的跟踪精度，因而适合非晶硅产品的特性，提高光伏发电效率。 具体实例，某屋顶光伏电站在早晚时候，组件斜面的底部会被遮阴件而造成输入功率曲线有两个以上峰值，当时有两台100kW的相型号的国外逆变器都是一直工作在430V附件判断出峰值，却无法找到最佳的电压功率点，导致系统输出功率偏低。分析得出MPPT的电压步频ΔU（原值为2V）是争对晶硅而非适用于非晶硅，最后将ΔU设置为5V后，该类的逆变器的MPPT最终可以轻松找到非晶硅方阵的最大功率点约500V左右，问题得到解决。 3、关于非晶硅薄膜电池负极接地与逆变器匹配问题及改进措施 1）关于非晶硅薄膜电池负极接地目的： （1）泄放静电，防止对地共模电压超过系统电压； （2）抑制光伏方阵电池板的对地分布电容对逆变器控制电路的共模干扰； （3）建立电池板正电场，是一种避免电池寿命受影响的措施之一。 2）电池负极接地负面影响及逆变器匹配问题： （1）增加直流漏电的可能性以及产生正极人员触电的安全隐患； （2）必须采用内部或外部变压器隔离（含升压变压器）进行逆变并网，接地线路上需加直流漏电保护器以保护人身安全。 3）关于负极接地改进措施： 由于上述原因，组件负极接地并不是防雷接地，而是以防静电为主，因此可以采用间接接地方法。具体方法是：采用在直流汇流柜内将负极母排通过阻值在100kΩ至1MΩ之间、功率在50W以上的大电阻（注意电阻两端爬电电压须大于1500V）串接不大于10mA的复位式直流漏电保护器后接地，若再串接微安表可进行实时漏电流检测。 采用大阻值电阻间接接地，避免了直接接地造成与无变压器隔离型逆变器的不兼容的问题。由于通过该接地电阻的实际电流很小，不会因此造成无变压器隔离型逆变器直流漏电报警，同时接地线路上的直流漏电保护器设置值很小能起到
全固态锂电池的技术研究进展
全固态锂电池的技术研究进展 根据近期流传的技术趋势预测，全固态锂电池，可能在2030年之前实现固态电解质技术突破，单体能量密度超过500Wh/kg的目标，并且达到量产能力。今天关注一下全固态电解质锂电池。 1锂电池的种类 锂电池的分类方法比较多，可以按照正极材料类型划分，负极材料类型划分，电解液类型划分等等，我们常说的三元材料还是磷酸铁锂或者锰酸锂，就是按照正极材料划分的结果。在锂电池当前发展阶段上，锂电池性能上的差异主要表现在正极材料的差异上，因此人们习惯于用正极材料的名称给一个技术路线命名。 今后两年，高镍三元将成为量产可能性最高的一种技术路线，而含镍量的不同，又成了技术路线的名字，622、811，这是镍钴锰在三元正极材料中的占比关系。这仍然是一种针对正极材料差异的提法。 欧阳明高院士最近给出的技术路线预测中，高镍以后，能量密度达到400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固态电池的身上。固态电池，相对于传统锂电池的液态电解液而言的，电解质为导电率很高的纯固态物质，这是一种针对电解液形态的命名方式。 与固态电池平行的另外两种技术路线应该可以叫做液态电解液锂电池和半固态电解液锂电池。液态电解液锂电池，传统称呼中三元、磷酸铁锂、锰酸锂都属于液态电解液锂电池范围。半固态电解液，电解质是介于固态和液态之间的状态，现在常见的材料是聚合物电解质，在常温下为凝胶态。 2全固态锂电池的优缺点 优点 1）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题； 2）高温稳定性好，可以在60℃-120℃之间工作； 3）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有效抑制锂单质直径生长造成
LiPON固态电解质与全固态薄膜锂离子电池制备及特性研究
LiPON固态电解质与全固态薄膜锂离子电池制备及特性研究 薄膜技术使全固态薄膜锂（锂离子）电池的制造由设想变为现实。微芯片、微机电系统以及微型存储器等微小器件在低能领域的供电需求,使全固态薄膜锂（锂离子）电池成为未来电池微小型化技术与产业发展的重要方向。基于此应用需求,本论文比较全面地开展了全固态薄膜锂离子电池中LiPON固态电解质薄膜、LiMn2O4阴极薄膜、ZnO和Si两种阳极薄膜的制备与特性研究;在此基础上,制备并研究了四种膜系结构的全固态薄膜锂离子电池,电池阴极为退火或未退火的LiMn2O4薄膜,阳极材料根据电 化学可逆反应机理分为ZnO（过渡金属氧化物型）与Si（锂合金型）两种。根据基底不同,制备的电池又分为刚性石英玻璃基底（厚度为1 mm）和柔性聚酰亚胺（PI）基底（厚度为125μm）两类。 本论文取得的主要结论与创新如下。以Li3PO4为 靶材、采用射频磁控溅射法在氮气下反应溅射LiPON固态电解质薄膜与Al/Li PON/Al三明治结构,研究固态电解质电化学特性。通过优化关键制备参数,包括 靶基距、溅射功率、工作压强以及氮氩流量比,研究并确定了LiPON固态电解质薄膜的最佳特性与制备参数。在纯氮气、低压强条件下,通过射频磁控溅射法可得到致密、无缺陷的高品质LiPON薄膜。 通过溅射手段制备Al/LiPON/Al三明治结构中不同粗糙度的底层Al电极, 进而得到不同的电解质与电极界面粗糙度,研究不同界面粗糙度时电解质的体电容、体电阻、有效面积以及激活能的变化,发现界面粗糙度的增大对离子电导率的提升有较大帮助。在不改变LiPON靶材组分与溅射工艺参数的情况下,通过增大电解质界面粗糙度使其离子电导率由1.09μS/cm增加到2.70μS/cm,达到文 献报道的较高水平。研究了退火对LiPON薄膜本征结构和电化学特性的影响规律。退火会改变LiPON薄膜中氮三配位键N与氮双配位键N的比例关系,在经历300℃1小时退火处理后,LiPON薄膜的离子电导率显著提升,从1.10μS/cm提高到 3.28μS/cm。 首次发现,LiPON薄膜可承受400℃-500℃的高温热处理,400℃退火1小时后LiPON薄膜具有1.55μS/cm的离子电导率,500℃退火1小时后仍具有0.13μ S/cm的离子电导率。证明LiPON固态电解质薄膜具有极佳的热稳定性,这对拓展
十大锂电池排名
十大锂电池排名 1、排名第一锂电池厂商—宁德时代CATL 宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)成立于2011年，公司总部位于福建宁德。公司专注于通过电池技术，为全球绿色能源应用，提供能源存储解决方案。 公司研发生产电动汽车及储能系统的锂电池，电动汽车电池模组，电动汽车电池系统，动力总成，大型电网储能系统，智能电网储能系统，分布式家庭储能系统，及电池管理系统(BMS)。公司建立了动力和储能电池领域完整的研发、制造能力，拥有材料、电芯、锂电池系统、电池回收的全产业链核心技术。在储能领域，公司承接了部分关键客户的大型储能项目，年项目总量已超过40兆瓦时。 2、排名第二锂电池厂商—比亚迪 比亚迪股份有限公司创立于1995年，横跨IT、汽车和新能源三大产业，分别在香港(H股)和深圳(A股)上市。全球较大的充电电池生产商，镍镉电池/手机锂电池畅销，具有强大的研发实力的高新技术企业。主要产品为磷酸铁锂动力电池。 在新能源领域，比亚迪成功推出了太阳能电站、储能电站、电动车、LED和电动叉车等新能源产品，并在全球多个国家和地区推广应用。凭借全球领先的铁锂电池技术，比亚迪正积极引领全球新能源产业变革。目前的有效产能为4.5Gwh，其中惠州1Gwh、深圳坑梓3.5Gwh，预计到2015年底，整体产能将达到6Gwh，2016年将扩张到10Gwh。比亚迪的动力电池仅供比亚迪自用。2015年上半年，比亚迪动力电
池业务收入约30亿元。 3、排名第三锂电池厂商—国轩 合肥国轩高科动力能源有限公司成立于2005年，是由珠海国轩贸易有限公司和合肥国轩营销策划有限公司发起设立。国轩主要从事锂电池材料、电芯设计工艺等供应商和服务商，专业从事新型锂离子电池及其材料的研发、生产和经营的企业。主要产品为磷酸铁锂材料、电芯、动力电池组、BMS系统及储能型锂电池组。 国轩高科目前的有效产能1.5Gwh，主要为方形和圆柱形动力锂电池电芯。国轩高科的主要客户包括南京金龙、江淮汽车、安凯客车、中联重科、上海申沃、东风汽车、河北御捷等。2015年上半年，国轩高科动力电池营业收入约7.5亿元左右。 4、排名第四锂电池厂商—力神电池 天津力神电池股份有限公司，创立于1997年，锂电池十大品牌，天津市名牌产品，行业标准起草单位，致力于为客户提供整体电源解决方案，专注于于新能源汽车、储能和特种设备配套市场主力供应商。力神电池产品包括圆(柱)型、方型、动力和聚合物锂电池以及光伏系统、超级电容器等六大系列近千个型号。产品应用涵盖消费类电子产品、新能源交通工具和储能三大领域。 目前的有效产能约为1Gwh，主要客户包括江淮、吉利、一汽、东风汽车、南京金龙、厦门金龙、中通客车、天津清源等。2015年上半年，其动力电池业务收入约为5.7亿元。 5、排名第五锂电池厂商—中航锂电
薄膜锂电池
能源材料课程业 ——薄膜锂电池的研究进展 院系：材料科学与工程学院 专业：金属材料与成型加工 班级：2012级金属材成1班 学号：20120800828 姓名：吴贵军
薄膜锂电池的研究进展 摘要：微电子机械系统(MEMS)和超大规模集成电路(VLSI)技术的发展对能源的微型化、集成化提出了越来越高的要求.全固态薄膜锂电池因其良好的集成兼容性和电化学性能成为MEMS和VLSI能源微型化、集成化的最佳选择.简单介绍了薄膜锂电池的构造,举例说明了薄膜锂电池的工作原理.从阴极膜、固体电解质膜、阳极膜三个方面概述了近年来薄膜锂电池关键材料的研究进展.阴极膜方面LiCoO2依旧是研究的热点,此外对LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCo1-xO2、V2O5也有较多的研究;固体电解质膜方面以对LiPON膜的研究为主;阳极膜方面以对锂金属替代物的研究为主,比如锡的氮化物、氧化物以及非晶硅膜,研究多集中在循环效能的提高.在薄膜锂电池结构方面,三维结构将是今后研究的一个重要方向.。 关键词：薄膜锂电池；微系统；薄膜：微电子机械系统随着电子集成技术的飞速发展，SO C (System on chi p) 成为 现实，电子产品在不断地小型化、微型化。以整合集成电路及机械系统，如各种传感器于同一块晶片上的技术，即微机电技术，受到了普遍重视。微小型飞行器、微小型机器人和微小型航天器等都在源源不断地出现和进一步地改进。这些微型系统的功能强大，必然对其能源系统提出了微型化的
要求。当电池系统被微型化，电池底面积小于10 m m2、功率在微瓦级以下时，被称为微电池。微电池的制备通常是将传统的电池微型化、薄膜化。目前，用于微电池的体系有：锌镍电池、锂电池、太阳能电池、燃料电池、温差电池和核电池。锂电池是目前具有较高比能量的实用电池体系，因此人们对薄膜化的锂电池投入了大量的研究。 优点： （1）成本低，根据Photon 的预测，预计到2012 年下降到2.08 美元/w；预计薄膜电池的平均价格能够从2.65 美元/w 降至1.11 美元/w，与晶体硅相比优势明显；而相关薄膜电池制造商的预测更加乐观，EPV 估计到2011 年，薄膜组件的成本将大大低于1 美元/w；Oerlikon 更估计2011 年GW 级别的电站其组件成本将降低于0.7 美元/w，这主要是由转化率提高和规模化带来的。 （2）弱光性好 （3）适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV)，不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等，根据需要制作成不同的透光率，代替玻璃幕墙。 缺点： （1）效率低，单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为 10-12%，还存在一定差距。
三种主要的薄膜太阳能电池详解
三种主要的薄膜太阳能电池详解 摘要：上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 关键字：薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池 单晶硅是制造太阳能电池的理想材料，但是由于其制取工艺相对复杂，耗能大，仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网 上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术
全固态3D薄膜锂离子电池的研究进展
全固态3D薄膜锂离子电池的研究进展 作者：邓亚锋钱怡崔艳华刘效疆来源：本站浏览数：289 发布时间：2013-8-8 16:28:16 0 引言 全固态薄膜锂离子电池主要由正/负极薄膜、电解质和集流器薄膜组成．整个电池厚约10 μm，可设计成任意形状和大小集成在IC电路中，是便携式电子设备、微电子机械系统(MEMS)以及微型国防技术装备(如微型智能武器)的理想能源。全固态平面薄膜电池(图1)受限于几何结构，能量和功率密度难以满足快速发展的MEMS、微型医疗器械、无线通信、传感器等领域对微电源的要求。全固态三维薄膜锂离子电池(简称3D锂电池)通过独特的构架设计(图2)，增大单位立足面积内电极活性物质负载量，并缩短锂离子扩散半径，提高了电池的容量和充放电速率。是解决未来微电子器件能量需求的一种有效方式，引起了人们的极大关注。 1 不同构架的全固态3D薄膜锂电池 1．1 叉指碳柱3D电池 叉指碳柱3D电池由加利福尼亚大学Wang小组于2004年首次提出(图3)，在Si/SiO2衬底上涂覆感光胶，光刻得到图形，再经过高温热解及后处理，即制得正/负极叉指状碳柱3D电池。叉指碳柱既可以直接作为电极，又可以作为集流器，在其表面沉积各种电化学活性物质。2008年，Min等研究了在叉指碳柱上电镀十二烷基苯磺酸盐掺杂聚吡咯(PPYDBS)导电聚合物薄膜的方法。结果表明，覆盖约10 μm厚PPYDBS的叉指阴极(C-PPYDBS)，电极电位从碳电极的3．2 V提高到了3．7 V(相对于Li/Li+)，但自放电较为严重，电池的放电容量远小于充电电容。 为改善叉指碳柱电极性能，Teixidor等制备出包覆中间相碳微球的叉指碳柱(C-MCMB)，有效提高了电极不可逆容量，但可逆容量仍较低。Chen等在叉指碳柱上包覆碳纳米管(CNT／C-MEMS)使单位立足面积电容达到8．3 F/cm2，充放电循环性能得到显著提高。 叉指碳柱电极成本低、热力学和化学稳定性好、易制成各种形貌、能包覆不同的活性材料(图4)，光刻-热解工艺较为成熟，适合工业化生产。但是，叉指结构放电不均匀、漏电流较大、碳柱在锂离子嵌入和脱出过程中易变形破损，这些问题需进一步研究解决。 1．2 微通道衬底3D电池 1998年，以色列特拉维夫大学的Peled小组首次报道了微通道衬底3D 电池(3D-MCP)；在Si片或玻璃上蚀刻出均匀分布、直径为15～50 μm的微通
全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展
论 著8 全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展 耿利群任岳*朱仁江陈涛 （重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047） 摘 要：本文综述了全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展，主要阐述了薄膜锂电池的结构设计以及正极、负极和固体电解质材料研究现状，并对其今后的发展趋势及研发热点进行了展望。 关键词：全固态薄膜锂离子二次电池；固体电解质；电池结构 DOI：10.3969/j.issn.1671-6396.2013.01.004 1 引言 随着电子信息工业和微型加工技术快速发展，对其所需的微型能源则提出了特殊微型化的要求。其中全固态薄膜锂离子二次电池因其高的能量密度、强的安全性、长的循环寿命、宽的工作电压和重量轻等优点，成为微电池系统需求的最佳选择[1]。本文主要介绍了全固态薄膜锂离子二次电池的关键性薄膜材料及电池结构的研究现状，并对其的开发应用及研究前景作了分析。 2 全固态薄膜锂离子二次电池结构的研究 薄膜电池结构的设计，对整个电池性能将产生直接的影响；同样对提高电池的能量密度、循环寿命和锂离子的传输速率也起到至关重要的作用。所以优化薄膜电池结构的设计，则是对构造高性能薄膜锂离子电池做到了强有力的支撑。 1993年美国橡树岭国家实验室（ORNL）Bates等[2]研制出了一种经典的薄膜锂离子电池叠层结构（见图1）。在衬底上先沉积两层阴阳极电流收集极薄膜，而后依次沉积阴极、固体电解质和阳极薄膜，最后在薄膜电池外表面上涂一层保护层，以此来防止阳极上金属锂和空气中的一些物质发生化学反应。 图1 薄膜锂离子电池结构剖面示意图 Baba等[3]研发出另一种典型的薄膜锂离子电池结构（见图2）。其较图1薄膜锂电池结构设计更为简单，制作更为容易。在不锈钢衬底上依次沉积各层薄膜电池材料，而在图示中有两个引线端子则是为了便于薄膜电池的连接使用。这种结构设计很好地提高了整个电池的有效面积，进而也极大地改善了薄膜电池的性能。 Nakazawa等[4]利用直流溅射和射频溅射的方法，研制出一种“直立型”全固态薄膜锂离子电池结构（见图3）。该研究小组利用该薄膜电池结构设计，成功制备出有效面积更大的全固态薄膜锂离子电池，这样也使得薄膜电池的能量密度和循环寿命等电化学性能得到大幅度提升。 图2 全固态薄膜锂离子电池结构剖面示意图 图3 “直立型”全固态薄膜锂离子电池剖面示意图 Hart等[5]设计了柱状电极交替排列的微型锂电池结构（见图4）。并对几种不同的正极、负极排列方式进行了相关的研究计算，得出了此薄膜电池的结构能够大大提升薄膜电池本身的能量密度。然而Eftekhari[6]则研制出了一种3-D微型锂电池结构的LiMn2O4电极，与以往微型锂电池结构的LiMn2O4电极在电池容量方面得到了提升。 图4 3-D微电池柱状结构示意图 [正极（灰色） 、负极（白色）交替排列分布]
全固态薄膜锂电池及其阴极薄膜材料制备技术
- -43 2010年第12期（总第147期） NO.12.2010 （CumulativetyNO.147） China Hi-Tech Enterprises 摘要：电子产品小型化、微型化、集成化成为当今技术发展的大趋势，从而需要电池的微型化。微电池在未来便携式 电子设备、国防装备及微电子机械系统 （MEMS ）等方面有着广泛的应用前景， 受到人们的重视。文章介绍了全固态薄膜锂电池的原理和结构，以及阴极薄膜的制备技术，展望了全固态薄膜锂电池的应用前景。关键词：微电池；全固态薄膜锂电池；阴极薄膜；溅射法；脉冲激光沉积法；电子束蒸发法中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1009-2374 （2010）12-0043-03全固态薄膜锂电池及其阴极薄膜材料制备技术 梁 科 （中国民航飞行学院航空工程学院电子教研室，四川 广汉 618307） 电子产品小型化、微型化、集成化成为当今技术发展的大趋势，从而需要电池的微型化。微电池在未来便携式电子设备、国防装备及微电子机械系统 （MEMS） 等方面有着广泛的应用前景， 受到人们的重视。目前，国内外积极开展研究的微电池系列有:锂电池、锌镍电池、太阳能电池、燃料电池等。其中全固态薄膜锂电池由于具有重量轻、体积小、循环寿命长、能量密度高、使用温度范围宽和安全性能好等优点已成为目前研究的热点。 全固态薄膜锂电池主要由阴极膜、阳极膜和电解质膜构成，其电池性能的主要决定于阴极材料的性能，所以薄膜锂电池的性能也取决于阴极薄膜的性能。近年来，如何成功获得性能优良的阴极材料成为热门前沿课题之一，美国、日本、韩国、英国、欧共体等一些大公司和研究机构纷纷致力于阴极膜研究和开发。本文旨在介绍全固态薄膜锂电池结构和原理，并总结阴极薄膜的制备技术，以期为全固态薄膜锂电池的研究提供参考。 一、全固态薄膜锂电池的结构和原理 电池的结构也极大地影响着电池的性能，它密切关系到电池的容量和Li + 离子的传输速率。最优化的构件方式是组成高性能薄膜锂电池的重要条件。图1给出了典型的薄膜锂电池的结构型，主要部分是阴极模、固体电解质膜和阳极膜。可以通过某种基底（如单晶硅片）上依次沉积阴极电流收集极、阴极膜、固体电解质膜、阳极膜、阳极电流收集极构成简单的薄膜锂电池。除了电流收集端（通常用导电金属附着在基片表面制备）以外，全固态薄膜锂电池的阴极、阳极、电解质 压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。（4）杂散输出与噪声。 在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小至毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前置放大电路必须要有足够高的激励功率电平。根据工作频率和输出功率等要求，可以采用FET、射频功率集成电路等作为射频功率放大器。本系统采用了日立公司的功率放大芯片PF01411A 来实现完成该任务，如图6所示。PF01411A 具有线性失真小，输入功率要求低 （0dBm 即可），增益控制范围可达90dB，效率可达 45％，最大输出功率可达5W。MCU 可通过电压控制端Vapc 来对输出增益进行控制，以实现对射频输 出功率的控制。 图6 输出功率可控的射频功率放大电路 三、结语 本文研制改进了零中频解调技术、载波电路、信号调制电路及射频功率放大电路，特别是对读卡器的重要组成部分——射频信号处理单元作了深入的研究，实验表明，研制电路的简单、实用、可靠。参考文献 [1] ISO/IEC FDIS 18000一6:2003（E ），Information tech-nology automatic identification and data capture techniques 一Radio frequency identification for item management air inter-face 一Part 6: Parameters for air interface commnnications at 860-960MHZ[S]． [2]段研．RFID 国际标准18000系列使用中的问题[J]．2008，（6）． [3]郎为民，陶少国，杨宗凯．RFID 标准化体系研究[J].电子器件应用，2006，（8）．作者简介：赖树明 （1981-），男，广东茂名人，东莞理工学院电子工程学院助教，研究方向：多功能电子测量仪。
锂电池隔膜的性能要求
锂离子电池隔膜的性能要求 锂离子电池由正、负极材料、电解液、隔膜以及电池外壳组成。隔膜作为电池的“第三极”，是锂离子电池中的关键内层组件之一。隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，同时允许锂离子的传导。在过度充电或者温度升高时，隔膜通过闭孔来阻隔电流传导，防止爆炸。隔膜性能的优势决定电池的界面结构和内阻，进而影响电池的容量、循环性能，充放电电流密度等关键特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能起着有重要的作用。 锂离子电池隔膜生产材料目前还是以聚烯烃为首选，聚烯烃材料具有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性好、生物相容性好、无毒等优点，在众多领域得到了广泛的应用。聚烯烃化合物可以提供良好的机械性能和化学稳定性，具有高温自闭性能，确保锂离子二次电池在日常使用上的安全性。 1 、厚度均匀性 隔膜的厚度均匀性与所有薄膜生产企业要求是一样的，是一个永远追求的重要的质量指标，它直接影响隔膜卷的外观质量以致内在性能，是生产过程严加控制的质量指标之一。锂电池用户对隔膜的分切有其特殊的要求，除了有特殊的隔膜分切机、专业培训的专业分切人员外，与隔膜自身的厚度均匀性关系最为密切。 在自动化程度很高的隔膜生产线上，隔膜厚度都是采用精度很高的在线非接触式测厚仪及快速反馈控制系统进行自动检测和控制的。隔膜的厚度均匀性包括纵向厚度均匀性和横向厚度均匀性。其中横向厚度均匀性尤为重要。一般均要求控制在+1微米以内。“南通天丰”公司厚度现已控制在+0.5微米以内。 2、力学性能 隔膜的力学性能是影响其应用的一个重要因素，如果隔膜破裂，就会发生短路，降低成品率，因此要求隔膜在电池组装和充放电结构使用过程中，需要自身具有一定的机械强度。隔膜的机械强度可用抗穿刺强度和拉伸强度来衡量。 拉伸强度，隔膜的拉伸强度与制膜的工艺相关联。采用单轴拉伸，膜在拉伸方向上与垂直方向强度不同；而采用双轴拉伸时，隔膜在两个方向上一致性会相近。一般拉伸强度主要是指纵向强度要达到100MP以上，横向强度不能太大，过大会导致横向收缩率增大，这种收缩会加大锂电池厂家正、负极接触的几率。 抗穿刺强度，抗穿刺强度是指施加在给定针形物上用来戳穿隔膜样本的质量，用它来表示隔膜在装配过程中发生短路的趋势。因隔膜是被夹在凹凸不平的正、负极片间，需要承受很大的压力。为了防止短路，所以隔膜必须具备一定的抗穿刺强度。抗穿刺强度值一般在300-500g。 3、透过性能 透过性能可用在一定时间和压力下，通过隔膜气体的量的多少来表征，主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。 作为锂电池隔膜材料，本身具有微孔结构，微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。孔径一般在0.03-0.12um。孔径太小增加电阻，孔径太大易使正负极接触或被枝晶刺穿短路。 隔膜厂家现在基本以透气度、孔隙度指标来衡量透气性。透气率是指特定的空气在特定的压力下通过特定面积隔膜所需要的时间，用Gurley值来表示。根据隔膜厚度，一般在300-700s/100ml。孔隙率是单体膜的体积中孔的体积百分率，它与原料树脂及膜的密度有关。现有锂离子电池隔膜的孔隙率在40%-50%之间。 4、理化性能
薄膜太阳能电池组件与晶体硅电池组件对比
薄膜太阳能电池与晶体硅电池特点介绍 商用的太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能 电池和薄膜太阳能电池。薄膜电池目前常见有：非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟 硒电池等。上述各类型电池主要性能如下表1.1 所示。 表1.1 太阳能电池分类汇总表 种 类 电池类型 商用效率实验室效率使用寿命优点 单晶硅 14%～17%23% 25 年 效率高 技术成熟 晶硅电池 多晶硅 13%～15%20.3% 25 年 效率较高 技术成熟 非晶硅 6%～9% 13% 25 年 弱光效应好 成本相对较低 碲化镉 8%～10% 15.8% 25 年 弱光效应好 成本相对较低 薄膜电池 铜铟硒 10%～13%15.3% 25 年 弱光效应好 成本相对较低 单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点；非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池较低的优点。而碲化镉则由于原材料存在较严重的环保回收问题；铜铟硒电池则因原材料稀缺性、成品率低，其规模化生产受到限制。 一、非晶硅薄膜与晶体硅的区别 1、非晶硅薄膜组件材料和制造工艺对环境友好，易于形成大规模生产能力； 2、非晶硅薄膜组件品种多，用途广； 3、非晶硅薄膜组件能更好的配合建筑分格，更能体现建筑美观； 4、非晶硅薄膜组件具备弱光发电的性能； 5、非晶硅薄膜组件透光性好，透光度可从5%到30%； 6、非晶硅薄膜组件高温性能好，高温对发电性能的影响比晶体硅的小很多； 7、晶体硅具有“热斑效应”，而阴影对非晶硅的影响很小； 8、晶体硅组件光电转换效率较非晶硅薄膜组件稍高； 9、晶体硅组件占地面积较非晶硅薄膜组件稍少；
薄膜晶体硅太阳能电池分析比较
薄膜晶体硅太阳能电池分析比较 《中国组件行业投资前景及策略咨询报告》分析：目前在工业上，硅的成本大约占硅太阳能电池生产成本的一半。为减少硅的消耗量，光伏(PV)产业正期待着一些处于研究开发中的选择方案。其中最显然的一种就是转向更薄的硅衬底。现在，用于太阳能电池生产的硅衬底厚度略大于200mm，而衬底厚度略小于100mm的技术正在开发中。为使硅有源层薄至5-20 mm，可以在成本较低的硅衬底上淀积硅有源层，这样制得的电池被称为薄膜。为使其具有工业可行性，主要的挑战是在适于大规模生产的工艺中，怎样找到提高效率和降低成本之间的理想平衡。已经存在几种制造硅有源层的技术1，本文将讨论其中的三种。 薄膜PV基础 第一种技术是制作外延(epitaxial)(图1)，从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始，然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层。除成本和可用性等优势以外，这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程，与其它的薄膜技术相比，这种技术更容易在现有工艺线上实现。 第二种是基于层转移(layer transfer)的技术，它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层，从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术的思路是多次重复利用母衬底，从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜，并尝试无支撑薄膜工艺的可能性。 最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池，即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上，比如陶瓷(图2)或高温玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择。我们已经证实，利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm 的很薄的多晶硅层。接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术，将种子层外延生长成几微米厚的吸收层，衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热CVD是因为它的生长速率高，而且可以获得高质量的晶体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟，但已经表现出使成本降低的巨大潜力。
脉冲激光沉积技术制备薄膜锂电池
赵胜利等：脉冲激光沉积技术制备薄膜锂电池 脉冲激光沉积技术制备薄膜锂电池。 赵胜利１，文九巴１，樊丽梅１，秦启宗２ （１．河南科技大学材料学院，河南洛阳４７】００３；２．复旦大学激光化学研究所，上海２００４３３） 摘要：脉冲激光沉积（ｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＬＤ）是２０世纪８０年代发展起来的一种全新的制备薄膜技术，具有沉积速率高，再现性能好等优点。近年来，利用ＰＬＩ）技术在全固态薄膜锂电池的研究中取得许多有意义的结果。一系列新型、高质量的电池薄膜材料被成功制备；原位组装的薄膜锂电池表现出良好的电化学性能。本文简要介绍了ＰＬＤ技术的原理和特点；重点评述ＰＬＤ在全固态薄膜锂电池阴极薄膜、阳极薄膜和电解质薄膜制备中的应用状况。 关键词：脉冲激光沉积：薄膜锂电池；制备；评述 中图分类号：ＴＭ９１ｌ；ＴＭ９１２．９文献标识码：Ａ文章编号：１００１—９７３１（２００６）０２一０１６９０４ ｌ引言 微电池在未来便携式电子设侪、国防装备及微电子机械系统（ＭＥＭｓ）等方面有着广泛的应用前景，已成为微电子、电池领域研究的热点。目前，国内外积极开展研究的微电池系列有：锂电池、锌镍电池、太阳能电池、燃料电池等。其中，薄膜锂电池因高能量密度、高电压、长循环寿命、安全可靠等优点倍受重视［１一。人们对锂电？电电极薄膜和电解质薄膜的制备、结构、性能及应用进行了全面研究，已经开发出电子束沉积（ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＥＢＤ）、射频磁控溅射（ＲＦｍａｇ—ｎｅｔｒｏ“ｓｐｕｔｔｅｒｉ“ｇ，ＲＦＭｓ）、静电喷雾沉积（ｅｌｅｃｔｒｏ—ｓｔａｔｉｃｓｐｒａｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＥｓＤ）、化学气相沉积（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｃＶＤ）、溶胶一凝胶（５０１一ｇｅｌ，ｓ—Ｇ）等制备方法”］。 上述制备方法各具特色，但也存在自身的局限性。脉冲激光沉积（ｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＬＤ）是上世纪８０年代发展起来的一种全新的制备薄膜技术，薄膜制备时沉积、晶化、成型等一次完成，沉积速率高，参数易控制。该技术已在制备高温超导、压电、铁电、磁性等薄膜中获得广泛应用。近年来，随着微型电子器件的发展，对电池的要求越来越高，国内外研究者将ＰＬＤ应用于锂电池电极和电解质薄膜的制备，取得了许多令人满意的结果。本文简要介绍了ＰＬＤ技术的原理和特点，重点对ＰＬＤ在全固态薄膜锂电池中的应用进行了评述。２ＰＬＤ技术的原理与特点 ２．１ＰＬＤ技术的原理 ＰＬＩ）是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦于靶表面，产生高温及熔蚀，并进一步形成高温、高压等离子体，定向局域膨胀发射，最后在基片上沉积形成薄膜。整个沉积过程可以分为３个阶段ｏ］。２．１．１激光与靶作用 该过程决定了烧蚀物的组成、产率、速度与空间分布，而这些将直接影响薄膜的成分、结构和性能。当激光辐射在靶上时，靶表面温度将持续上升，直到蒸发开始；蒸气的温度很高，足以使相当多的原子被激发和离子化，导致靶材料以等离子体的状态喷出。激光与靶相互作用的最大特征是靶表面形成所谓的Ｋｎｕｄｓｅｎ层，Ｋｎｕｄｓｅｎ层的存在使激光对靶的作用不同于蒸发，而是烧蚀，这是ＰＬＤ能保持靶和薄膜成分一致的根本原因。在脉冲激光辐照靶期间，等离子体屏蔽效应使激光与靶子作用时等离子体的温度大大提高，获得更高的能量，提高其活性，从而有利于获得高质量薄膜。２．１．２烧蚀物的传输 烧蚀物在空间的传输是指激光脉冲结束后，烧蚀物从靶表面到基片的过程。ＰＩ．Ｄ制备薄膜时往往有一定压强的气氛存在，因此烧蚀物在传输时将经历碰撞、散射、激发及化学反应等过程，而这些过程又影响和决定烧蚀物到达基片时的状态、数量、动能等，最终决定薄膜的成分、结构和性能。 ２．１．３烧蚀物在基片上成膜 等离子体中的粒子扩散并吸附在基片表面，发生化学反应、表面迁移等过程，同时一部分生成物由表面解析、扩散而离开表面。留在基片表面的粒子结台在一起形成原子团，具有一定数量原子的原子团不断吸收新加入原子而长大为临界核，继续形成“岛”，岛不断长大并发生接合，很多岛接合起来形成迷津结构，再继续蒸发沉积．原子将填补在迷津通道间的空洞形成连续薄膜。 ２．２ＰＬＤ技术的特点 与传统的ＥＢＤ、ＲＦＭｓ、ＥｓＤ、ｃｖＤ、Ｓ＿Ｇ等薄膜制备方法相比。ＰＬＤ技术的优势主要表现在以下几个方面”Ｊ：（１）选择合适的激光波长和能量密度，可获得与 ＊基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（ｚＭ２００１０３８０１）；国家自然科学基金资助项目（２００８３００１）；河南科技大学青年科研基金资助项目（２００４ＱＮｏｌｏ） 收到初稿日期：２００ｓ—０６一０６收到修改稿日期：２００５一０９—２０通讯作者：赵胜利 作者简介：赵胜利（１９７２），男，河南洛阳人．副教授，博士，主要从事功能薄膜材料的研究。 万方数据 万方数据
组件设计规范-电池篇
太阳能电池根据所用材料的不同，分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在组件应用中居主导地位。 1.硅电池片的类别 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 表1为三种硅电池片的各项比较： 2.常见硅电池片 ? Sun power
特点：采用只在背面配置电极的背接触式（Back Con tact ）结构。由于表面没有遮光的电极, 因此，不仅转换效率高，而且整个电池单元呈黑色，富于创意性。 ? EverGreen 特点：背面采用方形电极。 ? Motech（茂迪）/JA（晶澳）/JW（珈伟）/GE/SM（西门子）/SF（林洋） 3.太阳能电池的电性能参数 3.1转换效率n 太阳能电池转换效率是太阳能电池的输出功率P与投射到太阳能电池面积上的入射光功率S 之比，其值取决于工作点。如果阵列不工作于最大功率点，则阵列的效率实际上都低于按此定义的效率致，世纪效率可以任意的低，甚至低到零。此外，只有当所有的其他重要参数（如日照强度、光谱、温度等）都已确定时，效率才能被唯一的定义。 3.2填充因子FF 可以定义为最大输出功率与Isc、Voc之比，也就是最大功率矩形面积对Isc、Voc矩形面积的比例。对于太阳能电池来说，填充因子是一个重要的参数，它可以反映太阳能电池的质量。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数就越大，反映到太阳能电池的电流-电压特性曲线上，曲线就越接近正方形，此时太阳能电池的转换效率就越高。 3.3短路电流Isc 当V=0时，电流达到最大，称短路电流Isc （Short-Circuit Current ）。 3.4开路电压Voc
全固态锂离子电池关键材料详解
全固态锂离子电池关键材料详解 全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本主解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。 其关键主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。 全固态锂离子电池的结构包括正极、电解质、负极，全部由固态材料组成，与传统电解液锂离子电池相比具有的优势有： ①完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患，热稳定性更高； ②不必封装液体，支持串行叠加排列和双极结构，提高生产效率； ③由于固体电解质的固态特性，可以叠加多个电极； ④电化学稳定窗口宽（可达5V以上），可以匹配高电压电极材料： ⑤固体电解质一般是单离子导体，几乎不存在副反应，使用寿命更长。 固态电解质 聚合物固态电解质 聚合物固态电解质（SPE），由聚合物基体（如聚酯、聚酶和聚胺等）和锂盐（如LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等）构成，因其质量较轻、黏弹性好、机械加工性能优良等特点而受到了广泛的关注。发展至今，常见的SPE包括聚环氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚环氧丙烷（PPO）、聚偏氯乙烯（PVDC）以及单离子聚合物电解质等其它体系。 目前，主流的SPE基体仍为最早被提出的PEO及其衍生物，主要得益于PEO 对金属锂稳定并且可以更好地解离锂盐。然而，由于固态聚合物电解质中离子传输主要发生在无定形区，而室温条件下未经改性的PEO的结晶度高，导致离子电导率较低，严重影响大电流充放电能力。 研究者通过降低结晶度的方法提高PEO链段的运动能力，从而提高体系的电导率，其中最为简单有效的方法是对聚合物基体进行无机粒子杂化处理。目前研究较多的无机填料包括MgO、Al2O3、SiO2等金属氧化物纳米颗粒以及沸石、蒙脱土等，这些无机粒子的加入扰乱了基体中聚合物链段的有序性，降低了其结晶度，聚合物、锂盐以及无机粒子之间产生的相互作用增加了锂离子传输通道，提高电导率和离子迁移