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过渡金属掺杂LiPON电解质薄膜的制备及电化学性能研究

固态薄膜电池；固态电解质；LiPON；离子传输机制

过渡金属掺杂LiPON电解质薄膜的制备及电化学性能研究

宋欣忆¹，孙闯¹，李镰池¹，周抒予¹，吴爱民^1，2，黄昊^1，2

1 大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁省能源材料及器件重点实验室，辽宁 大连，

116024

2 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，辽宁 大连，116024

摘要：固态薄膜电池是利用多种薄膜制备技术在衬底上依次沉积成膜制得的一种高能量密度及功率密度的固态电池，广泛应用于微电子系统、传感器和可穿戴设备等领域，是新一代高密度长效储能器件。近年来，其关键材料固态电解质薄膜成为研究热点。锂磷氧氮（LiPON）固态薄膜电解质具有电化学窗口宽、热稳定性高及电极相容性好等优点，成为当前固态薄膜电池应用最广泛、技术最成熟的固态电解质材料之一。然而，LiPON固态电解质较低的离子电导率（室温下仅为2.0´10^-6 S/cm）严重制约了固态薄膜电池的可逆容量和循环稳定性。为了提高LiPON固态电解质的离子电导率，相关研究人员对工艺参数进行优化来提高N含量或通过靶材成分调控实现异质元素掺杂。由于N含量提升受限于等离子体技术局限性，且掺杂元素对Li⁺具有一定静电约束作用，LiPON离子电导率并未实现较大提升。因此，开发兼具高离子电导率和低界面电阻的LiPON固态电解质材料是一项极具挑战的工作。

本文采用磁控溅射技术对LiPON薄膜进行过渡金属Fe和Mn掺杂（TM-LiPON）改性实现高效离子传输，通过优化工艺参数和改变靶材成分调控LiPON薄膜中Fe和Mn掺杂浓度。过渡金属的多价态特性和强结合键决定其可形成多种类型TM-N桥键，连接更多相邻PO₃N^4-四面体形成离子传输通道，增强网状交联结构稳定性。电化学性能测试表明，当Fe的掺杂量为2.38%时，Fe-LiPON电解质体电阻低至37Ω，室温离子电导率高达1.08×10^-5 S/cm，离子激活能仅为0.42 eV，具有优异离子传输动力学特性。当Mn的掺杂量为0.252%时，Mn-LiPON电解质薄膜的电压稳定区间可达6V，意味着通过电极材料设计可组装输出电压高达6V的固态薄膜电池。