一种全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法与流程

本发明属于新能源器件的固态电池，具体涉及一种全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法。

背景技术：

1、全固态薄膜电池的商业化应用在很大程度上解决了微型用电设备的储能问题。随着智能化、微型化和一体化需求的不断提高，兼具能量密度高、电化学性能稳定、安全及低成本的薄膜型全固态锂电池成为现阶段的研究热点。作为锂源供体的正极材料不仅提供了循环过程中迁移的锂离子，还要满足界面层生长所需。此外，当li+脱出达到阈值时，不可逆的结构相变、晶格畸变及晶格氧的释放逐渐加剧了结构的不稳定性，造成循环寿命严重衰减。

2、掺杂是一种常见且有效的改性方法。通过元素掺杂，可以将不同价态或离子半径的元素结合在一起，使材料电子结构随掺杂元素进行优化，以改善材料的各项性能。考虑到薄膜型全固态电池的制备受限于层层堆叠的物理沉积方式，仅通过复合靶材制备和多靶共溅掺杂要满足严苛的制备条件及高额的制靶成本而不利于批量生产。然而，必不可少的高温退火过程是获得良好结晶电极材料的先决条件，冗长的外部退火步骤会引起材料的表面污染。如商业化licoo2薄膜电极表面形成的li2o、coo、co3o4等惰性副产物、无定型的licoo2生长层及晶内裂纹，造成循环后的界面电阻增加、离子扩散路径堵塞和复杂相变过程。因此，能够同时满足低温高结晶度的掺杂并缓解晶格应力变化，改善界面间电压迟滞以获得高能量密度的电极材料是亟需突破的技术难题，亦是能源/器件高度集成环节中亟需攻克的技术难点。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法，本发明解决了目前薄膜型全固态电池的制备受限于层层堆叠的物理沉积方式，仅通过复合靶材制备和多靶共溅掺杂要满足严苛的制备条件及高额的制靶成本而不利于批量生产的问题。

2、为了达到上述目的，本方案的技术方案如下：一种全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1、预先在集流体上溅射厚度为1nm～20μm的掺杂材料层。

4、步骤2、在所述步骤1掺杂材料层表面生长可掺杂的薄膜电极材料，在1×10-1mbar～1×10-4mbar压力和400～900℃衬底温度下进行掺杂晶化。

5、优选地，可掺杂的薄膜电极材料包括：vo2、v2o5、tio2、nb2o5、licoo2、li3po4、licopo4、licopo4f、linipo4、li3v2(po4)3、limn1.5ni0.5o2和li2tmsio4(tm＝fe、mn、co、ni)中的任意一种或多种。

6、优选地，掺杂材料层包括：sc、ti、v、cr、mn、fe、cu、zn、co、ni、k、na、sn、ag、au、al、ta、w、镧系和锕系中的任意一种或多种。

7、优选地，薄膜电极掺杂材料层制备过程中薄膜处理方法包括：磁控溅射、脉冲激光束沉积、分子束外延的任意一种或多种。

8、本发明的有益效果是：本发明提出基于薄膜电极的原位掺杂制备方法，掺杂过程使正极材料具有明显的择优生长和晶内缺陷，避免体相内的应力聚集和裂纹出现，增加离子扩散动力学和结构稳定性，综合提升电极材料的电化学性能。

技术特征：

1.一种全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法，其特征在于，所述可掺杂的薄膜电极材料包括：vo2、v2o5、tio2、nb2o5、licoo2、li3po4、licopo4、licopo4f、linipo4、li3v2(po4)3、limn1.5ni0.5o2和li2tmsio4(tm＝fe、mn、co、ni)中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法，其特征在于，所选掺杂材料层包括：sc、ti、v、cr、mn、fe、cu、zn、co、ni、k、na、sn、ag、au、al、ta、w、镧系和锕系中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法，其特征在于，所述薄膜电极掺杂材料层制备过程中薄膜处理方法包括：磁控溅射、脉冲激光束沉积、分子束外延的任意一种或多种。

技术总结
本发明公开了一种全固态薄膜电池电极的原位掺杂制备方法,包括如下步骤：步骤1、预先在集流体上溅射厚度为1nm～20μm的掺杂材料层；步骤2、在所述步骤1掺杂层表面生长可掺杂的薄膜电极材料，在1×10<supgt;‑1</supgt;～1×10<supgt;‑4</supgt;mbar压力和400～900℃衬底温度下进行掺杂晶化。本发明解决了目前薄膜型全固态电池的制备受限于层层堆叠的物理沉积方式，仅通过复合靶材制备和多靶共溅掺杂要满足严苛的制备条件及高额的制靶成本而不利于批量生产的问题。

技术研发人员：崔艳华,邱进旭,赵宇,李红亮,崔益秀
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院电子工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17