锂磷氧氮(LiPON)固态电解质与Li负极界面特性*

游逸玮 崔建文 张小锋 郑锋 吴顺情 朱梓忠

(厦门大学物理学系, 厦门 361005)

近年来, 全固态锂离子电池因其高安全性、高能量密度、简单的电池结构等优势成为研究热点.然而电极与电解质的固固界面问题严重影响电池性能的进一步提升, 从而受到了广泛关注.本文采用从头算分子动力学对LiPON/ Li界面进行了模拟.研究发现, 界面处原子互扩散现象明显, 并形成薄界面层.相比LiPON体相结构, 界面层以Li为中心原子的Li[O2N2], Li[O3N], Li[O4]四面体局域结构占比明显减少, 并且界面层Li-O,Li-N, P-O和P-N的平均配位数均有所减小.由于界面层结构和配位数的变化使得Li受到O, N的离子键作用更弱, Li离子扩散过程中受到的阻碍更小.这一点对于LiPON电解质在实际电池应用中的性能起到了积极促进作用.

1 引 言

近年来, 全固态薄膜电池已经成为可充电固态锂离子电池中的重要研究方向.全固态薄膜电池应用领域广泛, 可用于微芯片、智能卡、微机电系统、无线传感器、以及植入式医疗器件等低能量设备的电力供给.LiPON电解质因为具有良好的稳定性,较低的电子电导率(< 10–12S/cm), 较宽的电化学窗口(5.5 V), 以及较低的制备成本[1−3], 成为目前全固态薄膜锂离子电池中应用最广泛的一种固态电解质, 受到了众多研究小组及企业的关注.

目前研究的LiPON具有非晶态和晶态两种类型.非晶LiPON薄膜本质上可认为是无定形的掺氮磷酸锂.1997年, Yu等[2]利用射频磁控溅射法, 以γ-Li3PO4为靶材, 在氮气气流下首次成功制备出LiPON.相比于靶材γ-Li3PO4, 这样制备出LiPON的Li+电导率提升了两个数量级, 可以达到3.3 × 10–6S/cm.除了最常用的射频磁控溅射法制备LiPON薄膜外, 许多科研人员也探索出了其他多种制备技术, 例如脉冲激……