저자: XIA Qiuying, SUN Shuo, ZAN Feng, XU Jing, XIA Hui

중국 난징 210094 난징이공대학교 재료공학부

추상적인

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전고체 박막 리튬 배터리(TFLB)는 마이크로 전자 장치에 이상적인 전원으로 간주됩니다. 그러나 비정질 고체 전해질의 상대적으로 낮은 이온 전도도는 TFLB의 전기화학적 성능 향상을 제한합니다. 본 연구에서는 TFLB용 고체 전해질로서 마그네트론 스퍼터링을 통해 비정질 리튬실리콘산질화물(LiSiON) 박막을 제조하였다. 최적화된 증착 조건을 갖춘 LiSiON 박막은 상온에서 6.3×10-6 S∙cm-1의 높은 이온 전도성과 5V 이상의 넓은 전압 창을 나타내어 TFLB용 박막 전해질로 적합합니다. MoO3/LiSiON/Li TFLB는 큰 비용량(50mA∙g-1에서 282mAh∙g-1), 우수한 속도 성능(800mA∙에서 50mAh∙g-1)을 갖춘 LiSiON 박막 전해질을 기반으로 구성됩니다. g-1) 및 허용 가능한 사이클 수명(200사이클 후 78.1% 용량 유지)을 통해 실제 적용을 위한 이 전해질의 타당성을 입증합니다.

키워드:  LiSiON; 박막 전해질; 전고체 리튬 배터리; 박막 배터리

MEMS(Micro-Electromechanical Systems), 마이크로 센서, 지능형 카드, 이식형 마이크로 의료기기 등 마이크로 전자산업의 급속한 발전으로 인해 통합형 마이크로 크기 에너지 저장장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다[1,2]. 사용 가능한 배터리 기술 중 전고체 박막 리튬 배터리(TFLB)는 높은 안전성, 작은 크기, Power-on-Chip 설계, 긴 사이클 수명 및 낮은 수명으로 인해 마이크로 전자 장치에 이상적인 전원으로 간주됩니다. 자체 방전율. TFLB의 핵심 구성 요소 중 하나인 고체 박막 전해질은 TFLB의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다[3]. 따라서 고성능 고체박막 전해질을 개발하는 것은 항상 TFLB 개발의 중요한 목표이다. 현재 TFLB에서 가장 널리 사용되는 전해질은 비정질 산질화리튬(LiPON)으로 중간 정도의 이온 전도도(2×10-6 S∙cm-1), 낮은 전자 전도도(~10-14 S∙cm-1)를 갖습니다. ), 넓은 전압 범위(~5.5V), 리튬과의 우수한 접촉 안정성[4,5]. 그러나 이온전도도가 상대적으로 낮아 다가오는 사물인터넷(IoT) 시대를 대비한 고출력 TFLB 개발에 걸림돌이 되고 있다[6]. 따라서 차세대 TFLB를 위해서는 이온 전도도가 높고, 전압창이 크며, 리튬과의 접촉 안정성이 우수한 새로운 박막 전해질 개발이 시급하다.

다양한 무기 고체 전해질 재료 중에서 Li2O-SiO2 고용체 시스템과 중수소 생성상은 빠른 3차원 리튬 전도 채널로 인해 잠재적인 박막 전해질로 확인되었습니다[7]. 예를 들어, Chen 외.[8] Al 치환된 Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O 고체 전해질은 200℃에서 5.4×10-3 S∙cm-1의 높은 이온 전도도를 갖는다고 보고하였다. Adnan 외.[9] Li4Sn0.02Si0.98O4 화합물은 주변 온도에서 3.07×10-5 S∙cm-1의 최대 전도도 값을 갖는다는 것을 발견했습니다. 그러나 Li2O-SiO2 전해질 시스템에 대한 이전 연구는 주로 결정성이 높은 분말 재료에 초점을 맞춘 반면, TFLB에 대한 비정질 박막 대응물에 대한 연구는 매우 제한적으로 보고되었습니다. TFLB는 일반적으로 양극, 전해질, 양극의 박막을 층별로 증착하여 구성되기 때문에 음극과 전해질 사이의 불리한 상호 작용으로 인해 균열 및 단락이 발생하는 것을 피하기 위해 상대적으로 낮은 온도에서 전해질 필름을 준비해야 합니다. TFLB[1,2]. 따라서 TFLB에서는 저온에서 제조된 비정질 특성을 갖는 Li2O-SiO2 전해질을 개발하는 것이 중요하다. 최근 연구[6]에서는 비정질 Li-Si-PON 박막을 통해 2.06×10-5 S∙cm-1의 높은 리튬 이온 전도도를 얻을 수 있음을 보여주었지만, 전극과의 접촉 안정성과 TFLB의 전기화학적 안정성은 아직까지 부족합니다. 조사할 것. 따라서 고성능 Li2O-SiO2 기반의 박막 전해질을 개발하고 TFLB에 실제 적용하는 것이 매우 중요합니다.

본 연구에서는 상온에서 RF 마그네트론 스퍼터링을 통해 비정질 리튬실리콘산질화물(LiSiON) 박막을 제조하고 TFLB용 고체전해질로 연구하였다. 스퍼터링 전력과 N2/Ar 작업 가스의 흐름은 LiSiON 박막에 대한 최상의 증착 조건을 얻기 위해 최적화되었습니다. 또한, TFLB에 최적화된 LiSiON 전해질의 적용 가능성을 입증하기 위해 MoO3/LiSiON/Li 풀 셀을 구성하고 전기화학적 성능을 체계적으로 조사했습니다.

1 실험적

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1.1 LiSiON 박막 제조

LiSiON 박막은 실온에서 12시간 동안 Li2SiO3 타겟(직경 76.2mm)을 사용하여 RF 마그네트론 스퍼터링(Kurt J. Lesker)으로 제조되었습니다. 증착 전에 챔버의 압력은 1×10-5 Pa 미만으로 감소되었습니다. 타겟에서 기판까지의 거리는 10 cm였습니다. 90 sccm N2 흐름에서 80, 100 및 120 W의 RF 전력 하에 증착된 샘플은 각각 샘플 LiSiON-80N9, LiSiON-100N9 및 LiSiON-120N9로 표시됩니다. 그리고 90 sccm N2 및 10 sccm Ar, 90 sccm N2 및 50 sccm Ar, 50 sccm N2 및 50 sccm Ar의 흐름에서 100 W의 RF 전력 하에 증착된 샘플은 샘플 LiSiON-100N9A1, LiSiON-100N9A5 및 각각 LiSiON-100N5A5.

1.2 MoO3/LiSiON/Li TFLB 제조

이전 보고서에 따르면 MoO3 필름은 순수 금속 Mo 타겟(직경 76.2mm)을 사용하여 직류(DC) 반응성 마그네트론 스퍼터링(Kurt J. Lesker)으로 제조되었습니다[10]. 타겟에서 기판까지의 거리는 10 cm이고, DC 스퍼터링 전력은 60 W입니다. 증착은 40 sccm Ar과 10 sccm O2의 흐름에서 4시간 동안 기판 온도 100 ℃에서 수행되었으며, 이후 in-situ 증착이 이루어졌습니다. 450℃에서 1시간 동안 어닐링 처리. 그런 다음 LiSiON-100N9A1을 MoO3 필름 위에 전해질로 증착했습니다. 그 후, LiSiON막 위에 진공열증착법(Kurt J. Lesker)을 이용하여 약 2μm 두께의 금속 리튬막을 증착하였다. 최종 제조 단계에는 Cu 집전체의 증착과 캡슐화 공정이 포함되었습니다.

1.3 재료 특성화

샘플의 결정 구조는 X선 회절(XRD, Bruker D8 Advance)을 통해 특성화되었습니다. 샘플의 형태 및 미세구조는 에너지 분산 X선 분광법(EDS)이 장착된 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, FEI Quanta 250F)으로 특성화되었습니다. 샘플의 원소 조성은 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(ICP-MS, Agilent 7700X)로 분석되었습니다. 시료의 화학적 조성과 결합정보는 X선 광전자분광법(XPS, Escalab 250XI, Thermo Scientific)으로 측정하였다.

1.4 전기화학적 측정

LiSiON 박막 전해질의 이온 전도도는 Pt/LiSiON/Pt의 샌드위치 구조를 이용하여 측정하였다. 샘플의 전기화학 임피던스 분광법(EIS)(1000kHz ~ 0.1Hz, 잠재적 진폭 5mV) 및 순환 전압전류법(CV) 측정은 Biologic VMP3 전기화학 워크스테이션에서 수행되었습니다. MoO3/LiSiON/Li TFLB의 정전류 충전/방전(GCD) 측정은 실온에서 아르곤으로 채워진 글러브 박스에서 Neware BTS4000 배터리 시스템을 사용하여 수행되었습니다. Sartorius Analytical Balance(CPA225D, 분해능 10μg)를 사용하여 전극 질량 로딩을 결정했으며 MoO3 필름의 질량 로딩은 약 0.4 mg∙cm-2입니다.

2 결과 및 논의

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그림 1(a)에 삽입된 광학 이미지에서 볼 수 있듯이 LiSiON 박막을 제조하기 위해 Li2SiO3 타겟을 사용했습니다. 그림 1(a)의 XRD 결과는 타겟이 주 Li2SiO3(JCPDS 83-1517) 상과 부 SiO2 상으로 구성되어 있음을 보여줍니다. ICP-MS 측정 결과 타겟 내 Li:Si의 원자비는 약 1.79:1로 나타났습니다. 일반적인 시료인 LiSiON-100N9A1의 경우 타겟을 스퍼터링한 후 투명한 비정질 박막을 얻었다(그림 1(b)). 그림 1(c)의 단면 FESEM 이미지에서 측정한 일반적인 샘플 LiSiON-100N9A1의 두께는 약 1.2μm이며, 이 조건에서 약 100nm∙h-1의 성장 속도를 나타냅니다. 그림 1(d)의 평면도 FESEM 이미지에서 볼 수 있듯이 LiSiON 박막의 표면은 균열이나 핀홀 없이 매우 매끄럽고 조밀하여 단축 및 안전 문제를 피하기 위해 TFLB에 적합한 고체 전해질입니다.

그림 1 (a) Li2SiO3 타겟의 XRD 패턴 및 광학 이미지; (b) 일반적인 샘플 LiSiON-100N9A1의 XRD 패턴 및 광학 이미지; (c) 일반적인 샘플 LiSiON-100N9A1의 단면 및 (d) 평면도 FESEM 이미지

Li2SiO3 타겟과 일반적인 샘플인 LiSiON-100N9A1의 화학적 조성과 결합 정보를 조사하기 위해 XPS 분석을 수행했습니다. 그림 2(a)의 XPS 조사 스캔 스펙트럼은 Li2SiO3 타겟에 Li, Si 및 O 원소가 존재하고 LiSiON 박막에 N 원소가 도입되었음을 나타냅니다. XPS 결과에 따르면 LiSiON 박막 내 N:Si의 원자비는 약 0.33:1이다. ICP-MS 측정으로 얻은 해당 원자비(1.51:1)를 결합하면 일반적인 샘플 LiSiON-100N9A1의 화학양론은 Li1.51SiO2.26N0.33으로 결정됩니다. Li2SiO3 타겟의 Si2p 코어 레벨 XPS 스펙트럼(그림 2(b))의 단일 Si-Si(103.2eV) 피크와 비교하여, 추가 Si-N(101.6eV) 피크가 LiSiON 박막에서 관찰될 수 있습니다. 이는 LiSiON[11,12]에서 질화가 발생함을 시사합니다. 그림 2(c)의 Li2SiO3 타겟의 O1s 코어 레벨 XPS 스펙트럼은 두 가지 결합 환경, 즉 SiOx에서 유래한 531.5eV와 Li2O에 할당된 528.8eV를 보여줍니다. 증착 후 530.2 eV에서 나타나는 추가 구성 요소는 LiSiON 박막으로 관찰할 수 있으며 이는 규산염의 비가교 산소(On)에 할당될 수 있습니다[13,14]. 그림 2(d)의 LiSiON 박막의 N1s 코어 레벨 XPS 스펙트럼은 Si-N 결합의 경우 398.2eV, Li3N의 경우 396.4eV, 아질산염 종 NO2-의 경우 403.8eV를 포함하여 3개의 피크로 분리될 수 있습니다. LiSiON 네트워크에 N을 통합합니다[14,15,16]. 그림 2(e)에 개략적으로 설명된 것처럼, LiSiON 네트워크에 N을 통합하면 더 많은 가교 구조를 형성할 수 있으며, 이는 빠른 리튬 이온 전도에 유리합니다[6,17].

그림 2 (a) 조사 스캔, (b) Si2p 코어 레벨, (c) O1s 코어 레벨, (d) Li2SiO3 타겟 및 일반적인 샘플 LiSiON-100N9A1의 N1s 코어 레벨 XPS 스펙트럼; (e) N의 첨가에 따른 Li2SiO3에서 LiSiON으로의 부분 구조 변화에 대한 개략도

LiSiON 박막의 이온 전도도 및 전기화학적 안정성을 최적화하기 위해 다양한 스퍼터링 전력으로 증착된 다양한 LiSiON 박막과 작동 가스 흐름을 이온 전도도 및 전압 범위 측면에서 비교했습니다. LiSiON 박막의 실온 Nyquist 플롯은 그림 3(a)에 표시되어 있으며 해당 Pt/LiSiON/Pt 샌드위치 구조 및 등가 회로는 그림 3(b)에 표시되어 있습니다. 관찰된 바와 같이, Nyquist 플롯은 단일 반원 및 유전체 커패시턴스 꼬리를 나타내며, 이는 차단 접점 사이에 샌드위치된 벌크 완화 프로세스가 있는 박막 전도 유전체의 특징입니다[17]. LiSiON 박막의 이온 전도도(σi)는 식을 사용하여 계산할 수 있습니다. (1).

σi=d/(RA)

그림 3 (a) 다양한 조건에서 증착된 LiSiON 박막의 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 스펙트럼; (b) Pt/LiSiON/Pt 샌드위치 구조 및 해당 등가 회로의 개략도; (c) 다양한 조건에서 증착된 LiSiON 박막의 CV 곡선; (d) 샘플 LiSiON-100N9A1의 대시간전류법 곡선

여기서 d는 필름 두께, A는 유효 면적(약 1cm2), R은 측정된 Nyquist 플롯에서 추정된 필름 저항입니다. 이러한 LiSiON 박막에 대해 계산된 이온 전도도는 표 1에서 비교됩니다. 관찰된 바와 같이, 90 sccm N2의 일정한 흐름에서 증착된 LiSiON 박막의 이온 전도도는 스퍼터링 전력이 80W에서 100W로 증가함에 따라 증가한 다음 감소합니다. 스퍼터링 전력이 120W로 더 높아지면 이는 LiPON 전해질에 대한 이전 보고서와 유사합니다[18]. 100W의 일정한 스퍼터링 전력 하에서 작업 가스의 N2 비율이 촉진될 때 이온 전도도의 명백한 증가가 관찰될 수 있으며, 이는 리튬 이온에 더 유리한 환경과 함께 LiSiON에 포함된 질소의 양이 증가했기 때문일 수 있습니다. 모션[5, 18]. 주목할 만한 점은 LiSiON-100N9 및 LiSiON-100N9A1 샘플이 각각 7.1×10-6 및 6.3×10-6 S∙cm-1의 가장 높은 이온 전도도를 나타내며, 이는 잘 알려진 LiPON(~2× 10-6 S∙cm-1), 이전에 보고된 비정질 LiNbO3(~1×10-6 S∙cm-1)[19], LiBON(2.3×10-6 S∙cm-1)[20], Li- V-Si-O(~1×10-6 S∙cm-1)[21], Li-La-Zr-O(4×10-7 S∙cm-1)[22] 및 Li-Si- PO(1.6×10-6 S∙cm-1)[23] 전해질 필름은 비정질 LiSiON 박막이 TFLB 전해질로서 경쟁력 있는 후보임을 보여줍니다. LiSiON 박막의 높은 이온 전도도는 N이 박막에 결합되고 Si-O 결합 대신 Si-N 결합이 형성되어 리튬 이온 이동이 용이하도록 보다 망상형 음이온 네트워크를 형성하기 때문일 수 있습니다. 17, 24]. LiSiON 박막의 전기화학적 안정 전압 창은 최대 5.5V의 전압으로 5mV∙s-1의 스캔 속도에서 CV 측정을 통해 평가되었습니다. 증착 조건이 LiSiON의 전압 창에 미치는 영향이 지적되어야 합니다. 이는 박막 전해질에 관한 이전 보고서에서 관련 연구가 없기 때문에 현재 명확한 메커니즘으로 설명할 수 없습니다[18,24-25]. 그럼에도 불구하고, 그림 3(c)와 표 1을 비교하면, 샘플 LiSiON-100N9A1과 LiSiON-100N5A5는 각각 ~5.0과 ~5.2V의 가장 넓은 전압 범위를 나타내며 이는 LiPON 전해질의 전압 범위에 가깝습니다. 따라서 이온 전도성과 전압 창을 모두 고려하여 추가 조사 및 전체 셀 제작을 위해 샘플 LiSiON-100N9A1을 선택했습니다. 샘플 LiSiON-100N9A1의 리튬 이온 전달 수(τi)와 전자 전도도(σe)를 조사하기 위해 10mV의 일정한 전압에서 시간 전류 측정을 추가로 수행했습니다(그림 3(d)). τi는 Eq.로 계산할 수 있다. (2).

τi=(Ib-Ie)/Ib

여기서 Ib는 초기 분극 전류이고, Ie는 정상 상태 전류입니다[18]. τi는 0.998로 계산되었으며 이는 1에 가깝고 이는 전해질에서 리튬 이온 전도가 절대적으로 지배적임을 나타냅니다. τi는 이온과 전자 전도의 혼합 효과에 의해 결정되며[24], 이는 식으로 표현될 수 있습니다. (삼).

τi=σi/(σi+σe)

따라서 샘플 LiSiON-100N9A1의 σe는 1.26×10-8 S∙cm-1로 계산되며, 이는 이온 전도도에 비해 무시할 수 있는 수준입니다.

표 1 다양한 조건에서 증착된 LiSiON 박막의 리튬 이온 전도도 및 전압 창 비교

TFLB 적용을 위해 최적화된 샘플 LiSiON-100N9A1의 타당성을 검증하기 위해 MoO3/LiSiON/Li TFLB를 추가로 제작했습니다. MoO3/LiSiON/Li TFLB의 단면 FESEM 이미지와 해당 EDS 매핑 이미지가 그림 4(a)에 나와 있습니다. 관찰된 바와 같이, MoO3 캐소드(두께 약 1.1μm)와 Li 애노드는 LiSiON 전해질에 의해 잘 분리되어 있으며, LiSiON 전해질은 캐소드 및 애노드 모두와 긴밀한 접촉 계면을 가지고 있습니다. 그림 4(b)는 1.5~3.5V 사이에서 0.1mV∙s-1의 스캔 속도에서 TFLB의 일반적인 CV 곡선을 표시하며, 이는 약 2.25~2.65V에서 잘 정의된 한 쌍의 산화환원 피크를 보여줍니다. MoO3[10]에 리튬 이온 삽입 및 추출. 그림 4(c)는 전류 밀도 50mA∙g-1(20μA∙cm-2, MoO3 필름의 질량 기준)에서 TFLB의 초기 3개 정전류 충전/방전 곡선을 나타냅니다. 관찰된 바와 같이 TFLB는 145/297 mAh∙g-1(58/118.8 μAh∙cm-2)의 초기 충전/방전 용량을 제공합니다. 2번째 사이클 이후에는 TFLB에 의해 282mAh∙g-1의 높은 가역 비용량을 갖춘 꾸준한 사이클링 동작이 달성되었습니다. 다양한 전류 밀도에서 TFLB의 속도 성능은 그림 4(d)에 나와 있습니다. 낮은 전류 밀도에서 초기 몇 사이클 동안 TFLB의 비가역적 용량 손실은 리튬 삽입에 의해 유도된 MoO3의 비가역적 상전이에 기인할 수 있습니다[26]. 100, 200, 400, 800mA∙g-1에서 각각 약 219, 173, 107, 50mAh∙g-1의 안정적인 방전 용량이 관찰되어 우수한 속도 성능을 보여줍니다. TFLB의 전기화학적 안정성을 평가하기 위해 200mA∙g-1의 전류 밀도에서 사이클 성능을 추가로 수행했습니다(그림 4(e)). TFLB는 200사이클 이후 초기 방전 용량의 78.1%를 유지할 수 있으며, 쿨롱 효율은 각 사이클마다 100%에 가까워 LiSiON 전해질의 허용 가능한 전기화학적 안정성을 나타냅니다. EIS 측정은 다양한 사이클 수에서 TFLB의 전해질/전극 인터페이스를 조사하기 위해 개방 회로 전압에서 추가로 수행되었으며 등가 회로가 있는 해당 Nyquist 플롯이 그림 4(f)에 표시되어 있습니다. 관찰된 바와 같이, MoO3/LiSiON/Li TFLB는 이전 연구[10]의 MoO3/LiPON/Li TFLB와 새로운 상태의 고주파수 영역에서 두 개의 반원으로 구성된 유사한 EIS 스펙트럼을 보여줍니다. LiSiON 계면 저항은 LiSiON/MoO3 계면에 비해 무시할 수 있습니다[20]. Nyquist 플롯의 첫 번째 작은 반원은 LiSiON 전해질에서 Li+ 이온의 이온 전도에 기인하는 반면, 두 번째 큰 반원은 LiSiON/MoO3 계면에서의 전하 이동 과정에 해당합니다[27,28]. 첫 번째 작은 반원은 사이클 동안 거의 변하지 않으며, 이는 LiSiON 전해질의 상대적으로 양호한 사이클 안정성을 나타냅니다. 그러나 두 번째 반원은 사이클 수가 증가함에 따라 점차 확장됩니다. 이는 사이클링 동안 증가된 LiSiON/MoO3 계면 저항을 나타냅니다. 이는 TFLB의 용량 감소의 주요 원인이 될 수 있습니다[29]. 이 연구는 TFLB를 구성하기 위해 LiSiON 전해질을 성공적으로 채택했으며 처음으로 MoO3 음극 및 리튬 양극 모두와 LiSiON의 우수한 계면 접촉을 입증했다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 또한, MoO3/LiSiON/Li TFLB의 큰 비용량, 우수한 속도 성능 및 허용 가능한 사이클 성능은 LiSiON 박막이 TFLB용 전해질로 잘 적용 가능함을 입증합니다.

그림 4 (a) MoO3/LiSiON/Li TFLB의 단면 FESEM 이미지 및 해당 EDS 매핑 이미지. (b) 일반적인 CV 곡선, (c) 초기 3개 충전/방전 곡선, (d) 속도 성능, (e) 사이클 성능, (f) 샘플 LiSiON을 사용한 MoO3/LiSiON/Li TFLB의 다양한 사이클 수에서의 EIS 스펙트럼 -100N9A1 전해질

3 결론

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요약하면, N2/Ar 가스 흐름이 있는 Li2SiO3 타겟을 사용하여 RF 마그네트론 스퍼터링을 통해 비정질 LiSiON 박막 전해질을 성공적으로 제조했습니다. 90 sccm N2 및 10 sccm Ar 흐름에서 100 W의 RF 전력으로 증착된 최적화된 LiSiON 박막은 매끄러운 표면, 조밀한 구조, 높은 이온 전도성(6.3×10-6 S∙cm-1) 및 넓은 전압 범위를 갖습니다. (5V)로 TFLB용 전해질 소재로 유망하다. 더 중요한 것은 LiSiON 전해질을 사용하여 높은 비용량(50 mA∙g-1에서 282 mAh∙g-1), 우수한 속도 성능(50 mAh∙ 800mA∙g-1에서 g-1) 및 허용 가능한 주기 안정성(200주기 후 78.1% 용량 유지). 이번 연구는 Li2O-SiO2 기반의 박막 전해질을 활용해 고성능 TFLB를 개발할 수 있는 새로운 기회를 가져올 것으로 기대된다.

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