अनाकार लीसिओन पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट

लेखक:ज़िया किउयिंग, सन शुओ, ज़ैन फेंग, ज़ू जिंग, ज़िया हुई

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग स्कूल, नानजिंग विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, नानजिंग 210094, चीन

अमूर्त

ऑल-सॉलिड-स्टेट थिन फिल्म लिथियम बैटरी (टीएफएलबी) को माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आदर्श शक्ति स्रोत माना जाता है। हालाँकि, अनाकार ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट की अपेक्षाकृत कम आयनिक चालकता TFLB के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन के सुधार को सीमित करती है। इस कार्य में, अनाकार लिथियम सिलिकॉन ऑक्सीनाइट्राइड (LiSiON) पतली फिल्में टीएफएलबी के लिए ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट के रूप में मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा तैयार की जाती हैं। अनुकूलित जमाव स्थिति के साथ, LiSiON पतली फिल्म कमरे के तापमान पर 6.3×10-6 S∙cm{7}} की उच्च आयनिक चालकता और 5 V से अधिक की एक विस्तृत वोल्टेज विंडो प्रदर्शित करती है, जिससे यह एक उपयुक्त पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट बन जाती है। टीएफएलबी। एक MoO3/LiSiON/Li TFLB का निर्माण बड़ी विशिष्ट क्षमता (282 mAh∙g-1 50 mA∙g-1 पर), अच्छी दर क्षमता (50 mAh∙g) के साथ LiSiON पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट के आधार पर किया गया है। -1 800 एमए∙जी पर -1), और स्वीकार्य चक्र जीवन (200 चक्रों के बाद 78.1% क्षमता प्रतिधारण), व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए इस इलेक्ट्रोलाइट की व्यवहार्यता को दर्शाता है।

कीवर्ड:LiSiOn; पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट; ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी; पतली फिल्म बैटरी

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उद्योग, जैसे माइक्रो-इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस), माइक्रो सेंसर, इंटेलिजेंट कार्ड और इम्प्लांटेबल माइक्रो मेडिकल डिवाइस के तेजी से विकास से एकीकृत सूक्ष्म आकार के ऊर्जा भंडारण की मांग बढ़ रही है।^[1,2]. उपलब्ध बैटरी प्रौद्योगिकियों में, ऑल-सॉलिड-स्टेट थिन फिल्म लिथियम बैटरी (टीएफएलबी) को उनकी उच्च सुरक्षा, छोटे आकार, पावर-ऑन-चिप डिजाइन, लंबे चक्र जीवन और कम के कारण माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आदर्श पावर स्रोत माना जाता है। स्व-निर्वहन दर. टीएफएलबी में प्रमुख घटकों में से एक के रूप में, ठोस-अवस्था पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट टीएफएलबी के गुणों को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।^[3]. इसलिए, टीएफएलबी के विकास के लिए उच्च-प्रदर्शन ठोस-अवस्था पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट विकसित करना हमेशा एक महत्वपूर्ण लक्ष्य है। वर्तमान में, टीएफएलबी में सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला इलेक्ट्रोलाइट अनाकार लिथियम फास्फोरस ऑक्सीनाइट्राइड (LiPON) है, जिसमें मध्यम आयनिक चालकता (2×10-6 S∙cm-1), कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता (~{{5) है। }} S∙cm-1), चौड़ी वोल्टेज विंडो (~5.5 V), और लिथियम के साथ अच्छी संपर्क स्थिरता^[4,5]. हालाँकि, इसकी आयनिक चालकता अपेक्षाकृत कम है, जो इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) के आगामी युग के लिए उच्च शक्ति TFLB के भविष्य के विकास में बाधा डालती है।^[6]. इस प्रकार, अगली पीढ़ी के टीएफएलबी के लिए बढ़ी हुई आयनिक चालकता के साथ-साथ बड़ी वोल्टेज विंडो और लिथियम के साथ अच्छी संपर्क स्थिरता के साथ नई पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित करना तत्काल आवश्यक है।

विभिन्न अकार्बनिक ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट सामग्रियों के बीच, Li2O-SiO2 ठोस समाधान प्रणाली और उनके ड्यूटेरोजेनिक चरणों को उनके तेज़ त्रि-आयामी लिथियम चालन चैनलों के कारण संभावित पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में पहचाना गया था।^[7]. उदाहरण के लिए, चेन, एट अल।^[8]रिपोर्ट में बताया गया है कि Al प्रतिस्थापित Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O ठोस इलेक्ट्रोलाइट में 5.4×10-3 S∙cm{{12} की उच्च आयनिक चालकता है। } 200 डिग्री पर. अदनान, एट अल.^[9] पाया गया कि Li4Sn0.02Si0.98O4 यौगिक का परिवेशीय तापमान पर अधिकतम चालकता मान 3.07×10-5 S∙cm-1 है। हालाँकि, Li2O-SiO2 इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम पर पिछले काम ज्यादातर उच्च क्रिस्टलीयता वाले पाउडर सामग्री पर केंद्रित थे, जबकि TFLB के लिए उनके अनाकार पतली फिल्म समकक्षों पर बहुत सीमित काम की सूचना दी गई थी। चूंकि टीएफएलबी का निर्माण आम तौर पर कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट और एनोड की पतली फिल्मों को परत दर परत जमा करके किया जाता है, इसलिए कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिकूल बातचीत से बचने के लिए इलेक्ट्रोलाइट फिल्म को अपेक्षाकृत कम तापमान पर तैयार करने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप दरार और शॉर्ट सर्किट होता है। टीएफएलबी^[1,2]. इस प्रकार, कम तापमान पर तैयार अनाकार सुविधा के साथ Li2O-SiO2 इलेक्ट्रोलाइट विकसित करना TFLB के लिए महत्वपूर्ण है। हालाँकि हालिया काम^[6] दर्शाता है कि 2.06×10-5 S∙cm{3}} की उच्च लिथियम आयनिक चालकता अनाकार Li-Si-PON पतली फिल्म द्वारा प्राप्त की जा सकती है, इलेक्ट्रोड के साथ इसकी संपर्क स्थिरता और TFLB में विद्युत रासायनिक स्थिरता अभी तक नहीं है जांच की जाए. इसलिए, उच्च-प्रदर्शन Li2O-SiO2 आधारित पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट विकसित करना और TFLB में इसके वास्तविक अनुप्रयोग को प्रदर्शित करना अत्यंत महत्वपूर्ण है।

इस कार्य में, अनाकार लिथियम सिलिकॉन ऑक्सीनाइट्राइड (LiSiON) पतली फिल्म को कमरे के तापमान पर रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा तैयार किया गया था और TFLB के लिए ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट के रूप में जांच की गई थी। LiSiON पतली फिल्म के लिए सर्वोत्तम जमाव स्थिति प्राप्त करने के लिए स्पटरिंग शक्ति और N2/Ar कार्यशील गैस के प्रवाह को अनुकूलित किया गया था। इसके अलावा, TFLB के लिए अनुकूलित LiSiON इलेक्ट्रोलाइट की प्रयोज्यता प्रदर्शित करने के लिए, एक MoO3/LiSiON/Li पूर्ण सेल का निर्माण किया गया और इसके इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन की व्यवस्थित रूप से जांच की गई।

1 प्रायोगिक

1.1 LiSiOON पतली फिल्मों की तैयारी

12 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर Li2SiO3 लक्ष्य (76.2 मिमी व्यास) का उपयोग करके आरएफ मैग्नेट्रोन स्पटरिंग (कर्ट जे. लेस्कर) द्वारा LiSiON पतली फिल्में तैयार की गईं। जमाव से पहले, कक्ष का दबाव 1×10-5 Pa से कम कर दिया गया था। लक्ष्य से सब्सट्रेट तक की दूरी 10 सेमी थी। 90 एससीसीएम एन2 के प्रवाह पर 80, 100 और 120 डब्ल्यू की आरएफ शक्ति के तहत जमा किए गए नमूनों को नमूना LiSiON -80N9, LiSiON-100N9, और LiSiON-120N9 के रूप में चिह्नित किया गया है। क्रमश। और 90 एससीसीएम एन2 और 10 एससीसीएम अर, 90 एससीसीएम एन2 और 50 एससीसीएम अर, 50 एससीसीएम एन2 और 50 एससीसीएम अर के प्रवाह पर 100 डब्ल्यू की आरएफ शक्ति के तहत जमा किए गए नमूनों को नमूना लीएसआईओएन के रूप में चिह्नित किया गया है। -100N9A5, और LiSiON-100N5A5, क्रमशः।

1.2 MoO3/LiSiON/Li TFLB की तैयारी

MoO3 फिल्म हमारी पिछली रिपोर्ट के अनुसार शुद्ध धातु Mo लक्ष्य (76.2 मिमी व्यास) का उपयोग करके डायरेक्ट करंट (DC) रिएक्टिव मैग्नेट्रोन स्पटरिंग (कर्ट जे. लेस्कर) द्वारा तैयार की गई थी।^[10]. लक्ष्य से सब्सट्रेट की दूरी 10 सेमी थी, और डीसी स्पटरिंग शक्ति 60 डब्ल्यू थी। इन-सीटू एनीलिंग द्वारा 40 एससीसीएम अर और 10 एससीसीएम ओ2 के प्रवाह पर 4 घंटे के लिए 100 डिग्री के सब्सट्रेट तापमान पर जमाव किया गया था। 1 घंटे तक 450 डिग्री पर उपचार। LiSiON-100N9A1 को फिर MoO3 फिल्म पर इलेक्ट्रोलाइट के रूप में जमा किया गया। उसके बाद, वैक्यूम थर्मल वाष्पीकरण (कर्ट जे. लेस्कर) द्वारा LiSiON फिल्म पर लगभग 2 μm मोटाई की एक धातु लिथियम फिल्म जमा की गई थी। अंतिम निर्माण चरण में Cu वर्तमान कलेक्टर का जमाव और एनकैप्सुलेशन प्रक्रिया शामिल थी।

1.3 सामग्री लक्षण वर्णन

नमूनों की क्रिस्टल संरचनाओं को एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी, ब्रुकर डी8 एडवांस) द्वारा चित्रित किया गया था। नमूनों की आकृति विज्ञान और सूक्ष्म संरचनाओं को ऊर्जा-फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) से सुसज्जित क्षेत्र उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एफईएसईएम, एफईआई क्वांटा 250 एफ) द्वारा चित्रित किया गया था। नमूनों की मौलिक रचनाओं का विश्लेषण प्रेरक रूप से युग्मित प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री (आईसीपी-एमएस, एगिलेंट 7700X) द्वारा किया गया था। नमूनों की रासायनिक संरचना और संबंध संबंधी जानकारी को एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस, एस्केलैब 250XI, थर्मो साइंटिफिक) द्वारा मापा गया था।

1.4 विद्युतरासायनिक माप

LiSiON पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक चालकता को Pt/LiSiON/Pt की सैंडविच संरचना का उपयोग करके मापा गया था। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) (5 एमवी के संभावित आयाम के साथ 1 {{1} 0 0 किलोहर्ट्ज़ से 0.1 हर्ट्ज तक) और नमूनों की चक्रीय वोल्टामेट्री (सीवी) माप बायोलॉजिक वीएमपी 3 इलेक्ट्रोकेमिकल पर किए गए थे। कार्यस्थान. MoO3/LiSiON/Li TFLB का गैल्वेनोस्टैटिक चार्ज/डिस्चार्ज (जीसीडी) माप कमरे के तापमान पर आर्गन से भरे ग्लव बॉक्स में न्यूअर बीटीएस4000 बैटरी सिस्टम का उपयोग करके किया गया था। इलेक्ट्रोड द्रव्यमान लोडिंग को निर्धारित करने के लिए एक सार्टोरियस एनालिटिकल बैलेंस (CPA225D, 10 ug के रिज़ॉल्यूशन के साथ) का उपयोग किया गया था, और MoO3 फिल्म का द्रव्यमान लोडिंग लगभग 0.4 mg∙cm-2 है।

2 परिणाम और चर्चा

जैसा कि चित्र 1(ए) में डाली गई ऑप्टिकल छवि में दिखाया गया है, LiSiION पतली फिल्म तैयार करने के लिए एक Li2SiO3 लक्ष्य को नियोजित किया गया था। चित्र 1(ए) में एक्सआरडी परिणाम से पता चलता है कि लक्ष्य प्रमुख Li2SiO3 (JCPDS 83-1517) चरण और लघु SiO2 चरण से बना है। आईसीपी-एमएस माप इंगित करता है कि लक्ष्य में ली:सी का परमाणु अनुपात लगभग 1.79:1 है। लक्ष्य को स्पंदित करने के बाद विशिष्ट नमूने LiSiON-100N9A1 के लिए पारदर्शी अनाकार पतली फिल्म प्राप्त की गई थी (चित्र 1(बी))। चित्र 1(सी) में क्रॉस-सेक्शन FESEM छवि से मापी गई विशिष्ट नमूना LiSiON-100N9A1 की मोटाई लगभग 1.2 μm है, जो इसके तहत लगभग 100 nm∙h-1 की वृद्धि दर का संकेत देती है। स्थिति। जैसा कि चित्र 1 (डी) में शीर्ष-दृश्य FESEM छवि में दिखाया गया है, LiSiON पतली फिल्म की सतह दरार या पिनहोल के बिना बहुत चिकनी और घनी है, जो इसे शॉर्टकट और सुरक्षा समस्या से बचने के लिए TFLB के लिए उपयुक्त ठोस इलेक्ट्रोलाइट बनाती है।

चित्र 1 (ए) Li2SiO3 लक्ष्य का XRD पैटर्न और ऑप्टिकल छवि; (बी) एक्सआरडी पैटर्न और विशिष्ट नमूने लीसीओएन की ऑप्टिकल छवि - 100एन9ए1; (सी) क्रॉस-सेक्शन और (डी) विशिष्ट नमूने लीसीओएन की शीर्ष-दृश्य एफईएसईएम छवियां -100एन9ए1

Li2SiO3 लक्ष्य और विशिष्ट नमूने LiSiON-100N9A1 की रासायनिक संरचना और बॉन्डिंग जानकारी की जांच के लिए XPS विश्लेषण किया गया था। चित्र 2(ए) में एक्सपीएस सर्वेक्षण स्कैन स्पेक्ट्रा Li2SiO3 लक्ष्य में Li, Si और O तत्वों की उपस्थिति और LiSiON पतली फिल्म में N तत्व की शुरूआत को दर्शाता है। XPS परिणाम के अनुसार LiSiON पतली फिल्म में N : Si का परमाणु अनुपात लगभग 0.33 : 1 है। आईसीपी-एमएस माप द्वारा प्राप्त संबंधित परमाणु अनुपात (1.51:1) के साथ संयोजन करके, विशिष्ट नमूने LiSiON-100N9A1 की स्टोइकोमेट्री Li1.51SiO2.26N0.33 निर्धारित की जाती है। Li2SiO3 लक्ष्य (छवि 2 (बी)) के Si2p कोर-स्तरीय XPS स्पेक्ट्रम में एकल Si-Si (103.2 eV) शिखर की तुलना में, LiSiON पतली फिल्म से अतिरिक्त Si-N (101.6 eV) शिखर देखा जा सकता है। , LiSiON में नाइट्रिडेशन की घटना का सुझाव देता है^[11,12]. चित्र 2(सी) में Li2SiO3 लक्ष्य का O1s कोर-स्तरीय XPS स्पेक्ट्रम दो बॉन्डिंग वातावरण दिखाता है: 531.5 eV SiOx से उत्पन्न हुआ और 528.8 eV Li2O को सौंपा गया। जमाव के बाद, 530.2 eV पर उभरे अतिरिक्त घटक को LiSiOON पतली फिल्म के साथ देखा जा सकता है, जिसे सिलिकेट में नॉनब्रिजिंग ऑक्सीजन (ऑन) को सौंपा जा सकता है।^[13,14]. चित्र 2(डी) में LiSiON पतली फिल्म के N1s कोर-स्तरीय XPS स्पेक्ट्रम को तीन शिखरों में विघटित किया जा सकता है, जिसमें Si-N बॉन्डिंग के लिए 398.2 eV, Li3N के लिए 396.4 eV और नाइट्राइट प्रजाति NO के लिए 403.8 eV शामिल हैं। }, आगे LiSiON नेटवर्क में N के शामिल होने की पुष्टि करता है^[14,15,16]. जैसा कि चित्र 2(e) में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है, LiSiON नेटवर्क में N को शामिल करने से अधिक क्रॉस-लिंक्ड संरचना बन सकती है, जो तेज़ लिथियम आयन चालन के लिए फायदेमंद है।^[6,17].

चित्र 2 (ए) सर्वेक्षण-स्कैन, (बी) Si2p कोर-स्तर, (c) O1s कोर-स्तर, और (d) Li2SiO3 लक्ष्य का N1s कोर-स्तर XPS स्पेक्ट्रा और विशिष्ट नमूना LiSiON-100N9A1; (ई) एन के समावेश के साथ Li2SiO3 से LiSiO3 तक आंशिक संरचना परिवर्तन का योजनाबद्ध चित्रण

LiSiON पतली फिल्मों की आयनिक चालकता और विद्युत रासायनिक स्थिरता को अनुकूलित करने के लिए, विभिन्न स्पटरिंग शक्तियों पर जमा की गई विभिन्न LiSiON पतली फिल्मों और कार्यशील गैस प्रवाह की तुलना उनकी आयनिक चालकता और वोल्टेज विंडो के संदर्भ में की गई। LiSiON पतली फिल्मों के कमरे के तापमान वाले Nyquist प्लॉट चित्र 3(a) में दर्शाए गए हैं, और संबंधित Pt/LiSiON/Pt सैंडविच संरचना और समतुल्य सर्किट चित्र 3(b) में दिखाए गए हैं। जैसा कि देखा गया है, नाइक्विस्ट प्लॉट एक एकल अर्धवृत्त और ढांकता हुआ कैपेसिटेंस पूंछ प्रदर्शित करते हैं, जो अवरुद्ध संपर्कों के बीच थोक विश्राम प्रक्रिया के साथ ढांकता हुआ संचालन करने वाली पतली फिल्म की विशेषता है।^[17]. LiSiOON पतली फिल्मों की आयनिक चालकता (σi) की गणना समीकरण का उपयोग करके की जा सकती है। (1).

σi=d/(RA)

चित्र 3 (ए) विभिन्न परिस्थितियों में जमा लीसीओएन पतली फिल्मों का इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) स्पेक्ट्रा; (बी) पीटी/लीसीओएन/पीटी सैंडविच संरचना और संबंधित समकक्ष सर्किट का योजनाबद्ध चित्रण; (सी) विभिन्न परिस्थितियों में जमा लीसीओएन पतली फिल्मों के सीवी वक्र; (डी) नमूने का क्रोनोएम्पेरोमेट्री वक्र LiSiON-100N9A1

जहां d फिल्म की मोटाई है, A प्रभावी क्षेत्र (लगभग 1 सेमी2) है, और R मापा नाइक्विस्ट प्लॉट से अनुमानित फिल्म प्रतिरोध है। इन LiSiON पतली फिल्मों के लिए गणना की गई आयनिक चालकता की तुलना तालिका 1 में की गई है। जैसा कि देखा गया है, 90 एससीसीएम N2 के निरंतर प्रवाह पर जमा LiSiON पतली फिल्म की आयनिक चालकता 80 W से 100 W तक बढ़ती स्पटरिंग शक्ति के साथ बढ़ती है, फिर घट जाती है जब स्पटरिंग पावर को 120 W तक बढ़ा दिया जाता है, जो LiPON इलेक्ट्रोलाइट पर पिछली रिपोर्ट के समान है^[18]. आयनिक चालकता में एक स्पष्ट वृद्धि तब देखी जा सकती है जब 100 W की निरंतर स्पटरिंग शक्ति के तहत कार्यशील गैस में N2 अनुपात को बढ़ावा दिया जाता है, जिसे लिथियम आयन के लिए अधिक अनुकूल वातावरण के साथ LiSiOON में शामिल नाइट्रोजन की बढ़ी हुई मात्रा के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। गति^{[5, 18]}. ध्यान देने योग्य बात यह है कि, नमूना LiSiON- 100N9 और LiSiON-100N9A1 क्रमशः 7.1×10-6 और 6.3×10-6 S∙cm-1 की उच्चतम आयनिक चालकता दिखाते हैं। , जो स्पष्ट रूप से सुप्रसिद्ध LiPON (~2×10-6 S∙cm-1) से अधिक हैं, जो पिछले रिपोर्ट किए गए अनाकार LiNbO3 (~1×10-6 S∙cm{{19}) थे })^[19], LiBON (2.3×10-6 S∙cm-1)^[20], ली-वी-सी-ओ (~1×10-6 एस∙सेमी-1)^[21], ली-ला-जेडआर-ओ (4×10-7 एस∙सेमी-1)^[22], और ली-सी-पीओ (1.6×10-6 एस∙सेमी-1)^[23]इलेक्ट्रोलाइट फिल्में, जिससे पता चलता है कि अनाकार LiSiOON पतली फिल्म TFLB के लिए इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एक प्रतिस्पर्धी उम्मीदवार है। LiSiON पतली फिल्म की उच्च आयन चालकता को पतली फिल्म में N के समावेश और Si-O बांड के बजाय Si-N बांड के गठन के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जिससे सुस्पष्ट लिथियम आयन गतिशीलता के लिए अधिक जालीदार आयनिक नेटवर्क बनता है।^{[17, 24]}. LiSiON पतली फिल्मों की इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिर वोल्टेज विंडो का मूल्यांकन 5.5 V तक वोल्टेज के साथ 5 mV∙s -1 की स्कैन दर पर CV माप द्वारा किया गया था। यह बताया जाना चाहिए कि वोल्टेज पर जमाव की स्थिति का प्रभाव LiSiON फिल्मों की विंडो अलग-अलग होती है, जिसे वर्तमान में स्पष्ट तंत्र द्वारा नहीं समझाया जा सकता है क्योंकि पिछली रिपोर्टों में पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट के बारे में कोई प्रासंगिक शोध नहीं है।^[18,24-25]. फिर भी, चित्र 3(सी) और तालिका 1 में तुलना के अनुसार, नमूना LiSiON-100N9A1 और LiSiON- 100N5A5 ~5.{9}} और ~5.2 V की सबसे व्यापक वोल्टेज विंडो दिखाते हैं। क्रमशः, जो LiPON इलेक्ट्रोलाइट के करीब हैं। इसलिए, आयनिक चालकता और वोल्टेज विंडो दोनों को ध्यान में रखते हुए, आगे की जांच और पूर्ण सेल के निर्माण के लिए नमूना LiSiON- 100N9A1 को चुना गया था। लिथियम आयन स्थानांतरण संख्या (τi) और नमूने LiSiON-100N9A1 की इलेक्ट्रॉनिक चालकता (σe) का पता लगाने के लिए, क्रोनोएम्पेरोमेट्री को 10 mV (छवि 3 (डी)) के निरंतर वोल्टेज पर आगे बढ़ाया गया था। τi की गणना समीकरण द्वारा की जा सकती है। (2).

τi=(Ib-Ie)/Ib

जहां Ib प्रारंभिक ध्रुवीकरण धारा है, और Ie स्थिर अवस्था धारा है^[18]. τi की गणना 0.998 की गई, जो 1 के करीब है, जो दर्शाता है कि इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम आयन चालन बिल्कुल प्रभावी है। τi आयनों और इलेक्ट्रॉनों के संचालन के मिश्रित प्रभाव से निर्धारित होता है^[24], जिसे Eq द्वारा व्यक्त किया जा सकता है। (3).

τi=σi/(σi+σe)

इस प्रकार, नमूने LiSiON-100N9A1 के σe की गणना 1.26×10-8 S∙cm-1 की जाती है, जो इसकी आयन चालकता की तुलना में नगण्य है।

तालिका 1 विभिन्न परिस्थितियों में जमा लीसिओन पतली फिल्मों की लिथियम आयन चालकता और वोल्टेज विंडो की तुलना

TFLB अनुप्रयोग के लिए अनुकूलित नमूने LiSiON{{0}}N9A1 की व्यवहार्यता को सत्यापित करने के लिए, MoO3/LiSiON/Li TFLB को और अधिक तैयार किया गया था। MoO3/LiSiON/Li TFLB की क्रॉस-सेक्शन FESEM छवि और संबंधित EDS मैपिंग छवियां चित्र 4(a) में दिखाई गई हैं। जैसा कि देखा गया है, MoO3 कैथोड (मोटाई में लगभग 1.1 माइक्रोमीटर) और ली एनोड LiSiON इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अच्छी तरह से अलग होते हैं, और LiSiON इलेक्ट्रोलाइट में कैथोड और एनोड दोनों के साथ तंग संपर्क इंटरफेस होते हैं। चित्र 4(बी) 1.5-3.5 V के बीच 0.1 mV∙s-1 की स्कैन दर पर TFLB के विशिष्ट CV वक्र को प्रदर्शित करता है, जो अच्छी तरह से परिभाषित रेडॉक्स चोटियों की एक जोड़ी दिखाता है लगभग 2.25 और 2.65 V पर, जो MoO3 में लिथियम आयन के प्रवेश और निष्कर्षण के अनुरूप है^[10]. चित्र 4(सी) MoO3 फिल्म के द्रव्यमान के आधार पर 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2) के वर्तमान घनत्व पर TFLB के प्रारंभिक 3 गैल्वनोस्टैटिक चार्ज/डिस्चार्ज वक्र को दर्शाता है। ). जैसा कि देखा गया है, टीएफएलबी 145/297 एमएएच∙जी-1 (58/118.8 μAh∙cm-2) की प्रारंभिक चार्ज/डिस्चार्ज क्षमता प्रदान करता है। दूसरे चक्र के बाद, 282 एमएएच∙जी-1 की उच्च प्रतिवर्ती विशिष्ट क्षमता के साथ स्थिर साइकिल चालन व्यवहार टीएफएलबी द्वारा हासिल किया गया था। विभिन्न वर्तमान घनत्वों पर टीएफएलबी का दर प्रदर्शन चित्र 4 (डी) में दर्शाया गया है। कम वर्तमान घनत्व पर शुरुआती कई चक्रों में टीएफएलबी की अपरिवर्तनीय क्षमता हानि को लिथियम सम्मिलन द्वारा प्राप्त MoO3 में अपरिवर्तनीय चरण संक्रमण के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।^[26]. लगभग 219, 173, 107, और 50 एमएएच∙जी-1 की स्थिर डिस्चार्ज क्षमता क्रमशः 100, 200, 400, और 800 एमए∙जी-1 पर देखी जाती है, जो अच्छी दर क्षमता का प्रदर्शन करती है। टीएफएलबी की इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता का मूल्यांकन करने के लिए, चक्र प्रदर्शन को 200 एमए∙जी-1 (चित्र 4(ई)) के वर्तमान घनत्व पर आगे बढ़ाया गया था। TFLB 200 चक्रों के बाद अपनी प्रारंभिक डिस्चार्ज क्षमता का 78.1% बरकरार रख सकता है, और कूलम्बिक दक्षता प्रत्येक चक्र के लिए 100% के करीब है, जिससे LiSiON इलेक्ट्रोलाइट की स्वीकार्य विद्युत रासायनिक स्थिरता का पता चलता है। विभिन्न चक्र संख्याओं पर टीएफएलबी में इलेक्ट्रोलाइट/इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की जांच करने के लिए ओपन सर्किट वोल्टेज पर ईआईएस माप किए गए थे, और समकक्ष सर्किट के साथ संबंधित नाइक्विस्ट प्लॉट चित्र 4 (एफ) में दर्शाए गए हैं। जैसा कि देखा गया है, MoO3/LiSiON/Li TFLB समान EIS स्पेक्ट्रम दिखाता है जिसमें हमारे पिछले काम में MoO3/LiPON/Li TFLB की ताजा स्थिति में उच्च आवृत्ति क्षेत्र में दो अर्धवृत्त शामिल हैं।^[10], यह दर्शाता है कि LiSiON/MoO3 इंटरफ़ेस की तुलना में Li/LiSiON इंटरफ़ेस प्रतिरोध नगण्य है^[20]. नाइक्विस्ट प्लॉट्स में पहला छोटा अर्धवृत्त LiSiON इलेक्ट्रोलाइट में Li+ आयनों के आयनिक संचालन के लिए जिम्मेदार है, जबकि दूसरा बड़ा अर्धवृत्त LiSiON/MoO3 इंटरफ़ेस पर चार्ज ट्रांसफर प्रक्रिया से मेल खाता है।^[27,28]. यह ध्यान दिया गया है कि पहला छोटा अर्धवृत्त चक्रों के दौरान शायद ही कभी बदलता है, जो LiSiOON इलेक्ट्रोलाइट की अपेक्षाकृत अच्छी चक्रीय स्थिरता का संकेत देता है। हालाँकि, जैसे-जैसे चक्र संख्या विकसित होती है, दूसरा अर्धवृत्त धीरे-धीरे विस्तारित होता है, जिससे चक्र के दौरान बढ़े हुए LiSiON/MoO3 इंटरफेशियल प्रतिरोध का पता चलता है, जो TFLB की क्षमता लुप्त होने का मुख्य कारण हो सकता है।^[29]. उल्लेखनीय है कि यह कार्य टीएफएलबी के निर्माण के लिए LiSiON इलेक्ट्रोलाइट को सफलतापूर्वक अपनाता है और पहली बार MoO3 कैथोड और लिथियम एनोड दोनों के साथ LiSiON के अच्छे इंटरफेशियल संपर्क को प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, MoO3/LiSiON/Li TFLB की बड़ी विशिष्ट क्षमता, अच्छी दर क्षमता और स्वीकार्य चक्र प्रदर्शन दर्शाता है कि LiSiON पतली फिल्म TFLB के लिए इलेक्ट्रोलाइट के रूप में अच्छी तरह से लागू है।

चित्र 4 (ए) क्रॉस-सेक्शन FESEM छवि और MoO3/LiSiON/Li TFLB की संबंधित EDS मैपिंग छवियां; (बी) विशिष्ट सीवी वक्र, (सी) प्रारंभिक तीन चार्ज/डिस्चार्ज वक्र, (डी) दर प्रदर्शन, (ई) चक्र प्रदर्शन, और (एफ) नमूना लीएसआईओएन के साथ MoO3/LiSiON/Li TFLB के विभिन्न चक्र संख्याओं पर ईआईएस स्पेक्ट्रा -100N9A1 इलेक्ट्रोलाइट के रूप में

3 निष्कर्ष

संक्षेप में, N2/Ar गैस प्रवाह के साथ Li2SiO3 लक्ष्य का उपयोग करके आरएफ मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा अनाकार LiSiON पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट सफलतापूर्वक तैयार किया गया था। 90 एससीसीएम एन2 और 10 एससीसीएम अर के प्रवाह पर 100 डब्ल्यू की आरएफ शक्ति के तहत जमा की गई अनुकूलित LiSiOON पतली फिल्म में चिकनी सतह, घनी संरचना, उच्च आयन चालकता (6.3×10-6 S∙cm-1) होती है। , और चौड़ी वोल्टेज विंडो (5 वी), जो इसे टीएफएलबी के लिए एक आशाजनक इलेक्ट्रोलाइट सामग्री बनाती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि LiSiON इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके, एक MoO3/LiSiON/Li TFLB को पहली बार उच्च विशिष्ट क्षमता (282 mAh∙g-1 50 mA∙g-1 पर) के साथ सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया गया, अच्छा दर प्रदर्शन (50 एमएएच∙जी-1 800 एमए∙जी-1 पर), और स्वीकार्य चक्र स्थिरता (200 चक्रों के बाद 78.1% क्षमता प्रतिधारण)। इस कार्य से Li2O-SiO2 आधारित पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके उच्च-प्रदर्शन TFLB विकसित करने के नए अवसर आने की उम्मीद है।

संदर्भ

[1] मोइत्ज़हेम एस, पुट बी, वेरेकेन पी एम। 3डी थिन-फिल्म ली-आयन बैटरी में प्रगति। उन्नत सामग्री इंटरफ़ेस, 2019,6(15):1900805।
[2] ज़िया क्यू, झांग क्यू, सन एस, एट अल। उच्च प्रदर्शन वाली ऑल-सॉलिड-स्टेट थिन फिल्म लिथियम माइक्रोबैटरी के लिए 3डी कैथोड के रूप में टनल इंटरग्रोथ LixMnO2 नैनोशीट ऐरे। उन्नत सामग्री, 2021,33(5):2003524।
[3] डेंग वाई, एम्स सी, फ़्लुटोट बी, एट अल। मिश्रित पॉलीअनियन प्रभाव के माध्यम से लिथियम सुपरियोनिक कंडक्टर (LISICON) ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम आयन चालकता को बढ़ाना। एसीएस एप्लाइड मैटेरियल्स और इंटरफेस, 2017,9(8):7050-7058।
[4] बेट्स जेबी, डुडनी एनजे, ग्रुज़लस्की जीआर, एट अल। अनाकार लिथियम इलेक्ट्रोलाइट पतली फिल्मों और रिचार्जेबल पतली-फिल्म बैटरियों का निर्माण और लक्षण वर्णन। जर्नल ऑफ़ पॉवर सोर्सेज, 1993,43(1/2/3):103-110।
[5] बेट्स जे. अनाकार लिथियम इलेक्ट्रोलाइट पतली फिल्मों के विद्युत गुण। सॉलिड स्टेट आयोनिक्स, 1992,53(56):647-654।
[6] फैमप्रिकिस टी, गैलीपौड जे, क्लेमेंस ओ, एट अल। ठोस-अवस्था बैटरियों के लिए LiSiPO(N) पतली-फिल्म इलेक्ट्रोलाइट्स में आयनिक चालकता की संरचना निर्भरता। एसीएस एप्लाइड एनर्जी मैटेरियल्स, 2019,2(7):4782-4791।
[7] डेंग वाई, एम्स सी, छोटार्ड जेएन, एट अल। Li4SiO4- Li3PO4 ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में तेज़ लिथियम-आयन चालन में संरचनात्मक और यंत्रवत अंतर्दृष्टि। जर्नल ऑफ़ द अमेरिकन केमिकल सोसाइटी, 2015,137(28):9136-9145।
[8] चेन आर, गीत जर्नल ऑफ़ द चाइनीज़ केमिकल सोसाइटी, 2002,49:7-10।
[9] अदनान एस, मोहम्मद एन एस। Li4SiO4 सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट के गुणों पर Sn प्रतिस्थापन का प्रभाव। सॉलिड स्टेट आयोनिक्स, 2014,262:559-562।
[10] सन एस, ज़िया क्यू, लियू जे, एट अल। उन्नत ऑल-सॉलिड-स्टेट थिन फिल्म लिथियम बैटरियों के लिए 3डी कैथोड के रूप में स्व-स्थायी ऑक्सीजन की कमी वाली -MoO3-x नैनोफ्लेक सरणियाँ। जर्नल ऑफ़ मैटेरियोमिक्स, 2019,5(2):229-236।
[11] डिंग डब्ल्यू, लू डब्ल्यू, डेंग एक्स, एट अल। माइक्रोवेव ईसीआर मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा जमा की गई SiNx फिल्म की संरचना पर एक XPS अध्ययन। एक्टा फिजिका सिनिका, 2009,58(6):4109-4116।
[12] KIM H, KIM Y. Li4SiO4 का आंशिक नाइट्रिडेशन और Li4 की आयनिक चालकता। 1SiO3. 9एन0. 1सेरामिक्स इंटरनेशनल, 2018,44(8):9058-9062।
[13] मैरिको एम, हिडेमासा के, टोमोयुकी ओ, एट अल। लिथियम-आयन बैटरियों के लिए SiO एनोड का विश्लेषण। जर्नल ऑफ़ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, 2005,152(10):ए2089।
[14] फिंगरल एम, बुचहाइट आर, सिकोलो एस, एट अल। LiCoO पर प्रतिक्रिया और अंतरिक्ष आवेश परत का गठन 2-LiPON इंटरफ़ेस: एक संयुक्त सतह विज्ञान-सिमुलेशन दृष्टिकोण द्वारा दोष गठन और आयन ऊर्जा स्तर संरेखण पर अंतर्दृष्टि। रसायन सामग्री, 2017,29(18):7675-7685।
[15] वेस्ट डब्ल्यू, हुड जेड, अधिकारी एस, एट अल। क्रिस्टलीय Li2PO2N स्रोत से फिल्मों के स्पंदित लेजर जमाव द्वारा ठोस इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफेस पर चार्ज-ट्रांसफर प्रतिरोध में कमी। जर्नल ऑफ़ पॉवर सोर्सेज, 2016,312:116-122।
[16] सिकोलो एस, फिंगरल एम, हॉसब्रांड आर, एट अल। लिथियम के विरुद्ध अनाकार LiPON की इंटरफ़ेशियल अस्थिरता: एक संयुक्त घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत और स्पेक्ट्रोस्कोपिक अध्ययन। जर्नल ऑफ़ पावर सोर्सेज, 2017,354:124-133।
[17] वू एफ, लियू वाई, चेन आर, एट अल। पतली-फिल्म लिथियम बैटरी के लिए नवीन ली-टीआई-सी-पीओएन पतली-फिल्म इलेक्ट्रोलाइट की तैयारी और प्रदर्शन। जर्नल ऑफ़ पॉवर सोर्सेज, 2009,189(1):467-470।
[18] पुट बी, वेरेकेन एम, मीर्सचॉट जे, एट अल। नैनोस्केल बैटरियों के लिए अल्ट्राथिन आरएफ-स्पटर लीपोन परतों का विद्युत लक्षण वर्णन। एसीएस एप्लाइड मैटेरियल्स और इंटरफेस, 2016,8(11):7060-7069।
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Li+ सोल-जेल विधि द्वारा जमा की गई Li-Nb-O फिल्मों में संचालन। सॉलिड स्टेट आयोनिक्स, 2016,285:13-18।
[20] सॉन्ग एस, ली के, पार्क एच। लिथियम बोरॉन ऑक्सीनाइट्राइड के ठोस इलेक्ट्रोलाइट पर आधारित उच्च प्रदर्शन वाली लचीली ऑल-सॉलिड-स्टेट माइक्रोबैटरी। जर्नल ऑफ़ पावर सोर्सेज, 2016,328:311-317।
[21] ओहत्सुका एच, ओकाडा एस, यामाकी जे. Li2O-V2O5-SiO2 ठोस इलेक्ट्रोलाइट पतली फिल्म के साथ ठोस अवस्था बैटरी। सॉलिड स्टेट आयोनिक्स, 1990, 40-41:964-966।
[22] कलिता डी, ली एस, ली के, एट अल। पतली फिल्म बैटरियों के लिए अनाकार ली-ला-जेडआर-ओ ठोस इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक चालकता गुण। सॉलिड स्टेट आयोनिक्स, 2012,229:14-19।
[23] सकुराई वाई, सकुडा ए, हयाशी ए, एट अल। ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम सेकेंडरी बैटरियों के लिए स्पंदित लेजर जमाव द्वारा अनाकार Li4SiO4-Li3PO4 पतली फिल्मों की तैयारी। सॉलिड स्टेट आयोनिक्स, 2011,182:59-63।
[24] टैन जी, वू एफ, एलआई एल, एट अल। ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम आयन बैटरियों के लिए नाइट्रोजन-निगमित लिथियम-एल्यूमीनियम-टाइटेनियम फॉस्फेट आधारित पतली फिल्म इलेक्ट्रोलाइट्स की मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तैयारी। द जर्नल ऑफ़ फिजिकल केमिस्ट्री सी, 2012,116(5):3817-3826।
[25] यू एक्स, बेट्स जेबी, जेलिसन जी, एट अल। एक स्थिर पतली-फिल्म लिथियम इलेक्ट्रोलाइट: लिथियम फॉस्फोरस ऑक्सीनाइट्राइड। जर्नल ऑफ़ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, 1997,144(2):524।
[26] किम एच, कुक जे, लिन एच, एट अल। ऑक्सीजन रिक्तियां MoO3-x के स्यूडोकैपेसिटिव चार्ज भंडारण गुणों को बढ़ाती हैं। प्रकृति सामग्री, 2017,16:454-460।
[27] सॉन्ग एच, वांग एस, सॉन्ग एक्स, और अन्य। अत्यधिक कम तापमान पर चलने वाली सौर ऊर्जा चालित ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम-एयर बैटरियां। ऊर्जा एवं पर्यावरण विज्ञान, 2020,13(4):1205-1211।
[28] वांग ज़ेड, ली जे, एक्सआईएन एच, एट अल। ऑल-सॉलिड-स्टेट थिन-फिल्म बैटरियों की दीर्घकालिक साइकिलिंग पर कैथोड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेशियल (सीईआई) परत का प्रभाव। जर्नल ऑफ़ पॉवर सोर्सेज, 2016,324:342-348।
[29] क़ियाओ वाई, डेंग एच, एचई पी, एट अल। आयनिक रेडॉक्स पर आधारित 500 Wh/kg लिथियम-मेटल सेल। जूल, 2020,4(6):1311-1323।