祝贺夏求应关于低温制备隧道孪生结构LixMnO2正极用于固态薄膜电池发表于Advanced Materials

时间：2020-12-30

【引言】

众所周知，随着物联网（IoT）时代的到来，微电子器件的快速发展相应地对其能源供给的微型电源提出了可集成、低维护和长循环寿命的迫切的需求。全固态薄膜锂电池（TFBs）采用薄膜沉积的方法直接在基底上制备电池，被认为是微电子器件（如微机电系统（MEMS）、微型传感器、可植入式医疗等）的理想微型电源。虽然基于商业化正极材料如锂离子电池（LIBs）的LiCoO₂和LiMn₂O₄的TFB具有良好的电化学性能，但这种正极膜所需的高退火/沉积温度(通常>500°C)限制了它们的集成和在微电子领域的潜在应用。对于金属氧化物半导（CMOS）的集成电路来说，高温处理是不可忍受的，极大地限制了衬底材料的选择。特别是对于柔性电子产品，大多数廉价而灵活的塑料衬底不能承受超过200℃的温度。因此，开发高性能TFBs的低温制造对于扩展其潜在应用至关重要。然而，这仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，南京理工大学夏晖教授、中国科学院物理研究所谷林研究员（共同通讯作者）等人提出了采用简易的电解质Li⁺离子注入策略，在180℃的极低温度下制备具有隧道结构的Li_xMnO₂纳米片阵列作为TFBs的3D正极。研究表明，Li_xMnO₂正极具有独特的隧道共生结构，其由1×3和1×2隧道交替组成，在2.0~4.3 V电压范围内表现出高的比容量和良好的结构稳定性。通过利用3D Li_xMnO₂正极，成功构建了全固态Li_xMnO₂/LiPON/Li TFB（3DLMO-TFB），其显著优点是极大地丰富了正极/电解液界面，缩短了Li⁺在3D结构中的扩散长度。此外，3DLMO-TFB器件具有较高的比容量（在50 mA g^-1时为185mAh g^-1）、良好的倍率性能和出色的循环性能（1000次循环后容量保持率为81.3%），优于基于在高温下制备的尖晶石型LiMn₂O₄薄膜正极的TFBs。重要的是，这种低温制备高性能正极薄膜的方法可以使TFBs在各种刚性和柔性衬底上制备，从而有望极大地拓展TFBs在微电子领域的潜在应用。相关研究成果以“Tunnel Intergrowth Li_xMnO₂ Nanosheet Arrays as 3D Cathode for High-Performance All-Solid-State Thin Film Lithium Microbatteries”为题发表在Adv. Mater.上。

文献链接：“Tunnel Intergrowth Li_xMnO₂ Nanosheet Arrays as 3D Cathode for High-Performance All-Solid-State Thin Film Lithium Microbatteries”(Adv. Mater.，2020，10.1002/adma.202003524)