SS/LiCoO₂ con ingeniería de tensión con integridad estructural mejorada y rendimiento electroquímico

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Electroquímica
• Tecnología de Películas Delgadas

Sus antecedentes:

• La delaminación de películas de óxido de litio y cobalto (LCO) en sustratos de acero inoxidable (SS) es un obstáculo importante para las baterías de litio de película delgada (TFLB) de estado sólido.
• Las TFLB existentes enfrentan desafíos con la integridad mecánica y la estabilidad a largo plazo debido a la delaminación de la película.
• Comprender y controlar la tensión de la película es crucial para desarrollar dispositivos TFLB duraderos.

Objetivo del estudio:

• Introducir y validar una estrategia de ingeniería de tensión para mitigar la delaminación de películas de LCO en sustratos SS.
• Elucidar los mecanismos detrás del desarrollo de tensión residual en películas delgadas de LCO durante la deposición.
• Desarrollar un proceso de fabricación escalable para TFLB mecánicamente robustos y de alto rendimiento.

Principales métodos:

• Mediciones de tensión in situ durante la deposición de películas de LCO.
• Variación sistemática de los parámetros de deposición, particularmente la presión de trabajo.
• Tratamientos de pre-recocido del sustrato y post-recocido de la película de LCO.
• Fabricación y prueba de celdas TFLB de área grande de estado sólido.

Principales resultados:

• Identificó una transición universal de tensión de tracción a compresión en películas de LCO, con películas amorfas que exhiben tensión de compresión debido a la sujeción atómica.
• Se encontró que la presión de trabajo es el parámetro dominante para controlar la evolución de la tensión de la película.
• Las estrategias optimizadas de recocido (pre-recocido del sustrato y post-recocido de la película) suprimieron eficazmente la delaminación y el agrietamiento.
• Se fabricaron con éxito celdas TFLB a escala de metro con multicapas robustas SS/LCO/LiPON, logrando una alta capacidad de área y una excelente estabilidad de ciclo (retención del 97,1% después de 1000 ciclos).

Conclusiones:

• El enfoque de ingeniería de tensión desarrollado resuelve eficazmente el problema de la delaminación en películas delgadas de LCO para TFLB.
• El control preciso de la tensión de la película a través de los parámetros de deposición y el recocido es clave para lograr electrodos de película delgada mecánicamente resistentes.
• Este trabajo proporciona una vía escalable y prometedora para la comercialización de TFLB de estado sólido de alto rendimiento.