掺铝氧化锌表面修饰钛酸锂薄膜负极的电化学性能和改性机理研究

作     者：潘汉殿 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄志高

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：钛酸锂薄膜电极 磁控溅射 掺铝氧化锌 人工保护层 电化学振荡 

摘      要：随着人们对能源和环境问题的愈发重视,可再生的清洁能源聚集了科研者们的目光,其中,锂离子电池(LIBs)因其轻便、安全、无记忆效应以及循环寿命长等优点成为了研究的重点。钛酸锂(LTO)作为锂离子电池中碳基负极材料的替代品,有着良好的循环稳定性和安全性,但它的理论容量较低(只有175 m Ah g),并且电子电导率和离子电导率也较低,这限制了其在商业上的应用。因此,有研究使用掺铝氧化锌(AZO)来包覆LTO颗粒的表面,并扩展充放电过程的电压窗口以此来提高电化学性能。AZO是一种透明的导电氧化物材料,其导电性与氧化铝(AlO)的掺杂量以及晶相有关,这些因素和AZO包覆层的厚度都会影响LTO的电化学性能。本论文通过磁控溅射的方式制备不同AZO包覆LTO薄膜样品,来确定最合适的AZO包覆层,然后探究其改性提升的机理。在锂离子电池的正/负极材料研究领域中,表面修饰是一种有效且广泛应用的改性方法,而性能提升的机理因为材料结构、表界面及其它因素影响而有所差异。了解这种纳米改性层/修饰层的在其中所起的关键作用对于进一步改善电池的电化学性能来说至关重要。在本论文中,制备了包覆有AZO和未包覆AZO的LTO多晶薄膜,作为理想模型进行研究。测试结果表明,2%AlO的掺杂量、250℃的制备温度下制得的AZO薄膜的导电性最佳。电化学性能测试表明,表面改性可以显著改善薄膜电极的循环性能和倍率性能,并加快电荷的传输。其中,溅射时间为60秒的AZO修饰层可以显著提升LTO薄膜电极的电化学性能,在室温、1 C下循环300圈后,比容量可由～160 m Ah g提升至～200 m Ah g,在60℃、5 C下循环500圈后,可将比容量从120.3 m Ah g提升至200 m Ah g,并且在高倍率下展现出最佳的性能。X射线光电子能谱仪和原位扫描探针显微镜技术的表征证实,AZO包覆层在电化学过程中会转化为含有Li-Zn合金和LiO导电基质的保护层,从而保护电极表面免受电解液进一步分解的侵蚀,因而形成了更稳定的SEI膜。AZO包覆层“自牺牲工艺的关键因素是AZO包覆LTO对电解液的表面还原能力提高,此外,还发现LTO电极表面的这种人工SEI膜可以促进LiTiO(?)LiTiO相变过程中相分离时锂离子快速的重新分布,从而抑制LTO多晶薄膜电极中有序的集体相分离行为。