磁控溅射法制备Li2FeSiO4薄膜及其电化学性能研究

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聚阴离子型硅酸盐系硅酸亚铁锂作为正极材料,具有易制备、来源广泛、高效绿色、成本低廉、理论容量高等优势,备受国内外研究者关注。本文采用RF磁控溅射方法成功制备了硅酸亚铁锂(Li2FeSiO4)正极材料薄膜,研究了RF磁控溅射设备工艺参数和薄膜退火温度对Li2FeSiO4薄膜形貌、输运特性、电化学性能的影响。(1)通过改变溅射功率和溅射压强这两个主要的工艺参数发现,当衬底温度为常温(25℃),溅射功率不超过180W时,制备的Li2FeSiO4薄膜为非晶态,且薄膜的生长速率随着溅射功率的增加逐渐加快。溅射功率100W条件下,制备的薄膜表面颗粒均匀,电荷电导率为3.1746×10-7 S·cm-1;当溅射压强为2Pa时,薄膜表面颗粒排列整齐,电荷电导率最高为3.5997×10-7 S·cm-1。随着溅射压强的增大,薄膜的生长速率先增大后减小。(2)500℃退火条件下薄膜开始出现晶化现象,XRD图谱出现部分Li2FeSiO4的衍射峰。薄膜的结晶度随退火温度升高而增大。900℃退火后,薄膜开始产生杂质峰相。随退火温度的升高,薄膜的电荷电导率先增大后减小,其中500℃退火后,Li2FeSiO4薄膜电导率最高,电荷电导率为4.4707×10-7 S·cm-1。(3)研究发现,常温条件下,溅射功率为100W,制备的Li2FeSiO4薄膜电池的伏安特性曲线图显示出一对明显的氧化还原峰,主要对应Fe2+/Fe3+的氧化还原过程;薄膜的首圈放电容量为129.93mAh/g,循环至200次,薄膜放电容量为115.60mAh/g,容量衰减较少;相应锂离子扩散系数最高为1.25×10-1111 cm2·s-1。Li2FeSiO4薄膜经500℃退火后,伏安特性曲线出现两组氧化还原峰,依次对应Fe2+/Fe3+和Fe3+/Fe4+的氧化还原过程;相应的充放电曲线出现两对平稳的电压平台,经200次充放电循环后,电池比容量为122.11mAh/g,容量保持率高达92.78%,表现出良好的循环性能和倍率特性,薄膜锂离子扩散系数值为1.22×10-1111 cm2·s-1
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