通过粉末原子层沉积技术在硫化物基全固态电池中制备阴极保护层的最小有效厚度

《Energy Storage Materials》：Minimum Effective Thickness of Cathode Protective Layers for Sulfide-Based All-Solid-State Batteries via Powder-Atomic Layer Deposition

采用粉末原子层沉积法制备了不同厚度的LiNbO3保护层，并系统研究了其对硫化物全固态电池界面阻抗和循环稳定性的影响。实验表明，2.5 nm厚度的LiNbO3层可显著降低界面阻抗，同时保持与5 nm层相当的循环寿命，确定其为硫化物全固态电池阴极材料保护的最小有效厚度。

　　

Kyu Moon Kwon|Minji Lee|Dae Ho Kim|Hyo Rang Kang|Tae Joo Park

韩国汉阳大学材料科学与化学工程系，安山15588

摘要

通过粉末原子层沉积（ALD）工艺，在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂电极上均匀沉积了超薄氧化铌锂（LNO）保护层，并系统研究了其在4.5 V vs Li/Li⁺截止条件下对基于硫化物的全固态电池（ASSBs）性能的影响。具有2.5纳米和5纳米厚LNO保护层的电池表现出相似的循环稳定性。相比之下，具有1纳米厚LNO层的电池在80次循环后循环寿命缩短了约28%，界面电阻增加了约59%。未涂覆保护层的电池退化更为严重，循环寿命缩短了43%，界面电阻增加了约145%。这些结果表明，2.5纳米厚的LNO层是减轻界面退化的最小有效厚度，从而为基于硫化物的ASSBs中正极活性材料的保护确立了定量厚度标准。

章节摘录

引言

基于硫化物的全固态电池（ASSBs）作为下一代储能系统受到了广泛关注，被认为是克服传统锂离子电池在安全性和能量密度方面的限制的有希望的解决方案[1,2]。然而，正极活性材料（CAMs）与基于硫化物的固态电解质（SSEs）之间的界面兼容性仍然是基于硫化物的ASSBs面临的最关键挑战之一[[3], [4], [5], [6], [7], [8]]。这一问题的主要

ALD工艺

Si基底使用10%的稀氢氟酸溶液清洗后进行冲洗。在280°C下，使用4英寸的行波型热ALD反应器在清洗后的Si基底上沉积LNO薄膜。分别使用Li tert-butoxide（LiOtBu）和tris(diethylamido)(tert-butylimido) niobium（TBTDEN）作为Li和Nb的前驱体。O₃（180 g m^?3）作为氧源。LiOtBu和TBTDEN分别保持在140°C和70°C。使用高纯度Ar气体（99.999%）

结果与讨论

图1a展示了用于控制LNO薄膜组成和厚度的超循环方法示意图。通过改变总超循环次数来调整薄膜的总体厚度，而通过改变Li与Nb的子循环比例来调节薄膜的组成。值得注意的是，子循环比例并不直接对应于实际的薄膜组成；因此，通过额外的分析验证了沉积薄膜的精确化学计量比。为了沉积LNO薄膜

结论

我们通过旋转式粉末ALD工艺实验研究了LNO保护层厚度对基于硫化物的ASSBs电化学性能的影响。基于O₃的ALD工艺实现了精确的组成控制，Li_1.7NbO_y组成的薄膜具有最高的离子导电性（1.5?×?10^–7 S cm^–1），因此被选为优化厚度的主要组分。具有2.5纳米和5纳米厚LNO保护层的电池表现出相似的电化学性能

作者贡献声明

Kyu Moon Kwon：撰写初稿、验证、方法论设计、数据分析、数据整理、可视化。Minji Lee：验证、数据分析、数据整理、可视化。Dae Ho Kim：验证、数据分析。Hyo Rang Kang：撰写、审稿与编辑、概念构思、方法论设计、项目监督、项目管理。Tae Joo Park：撰写、审稿与编辑、概念构思、方法论设计、项目监督、资金筹措。

作者贡献声明（CRediT版本）

Kyu Moon Kwon：撰写初稿、可视化、验证、方法论设计、数据分析、数据整理。Minji Lee：可视化、验证、数据分析、数据整理。Dae Ho Kim：验证、数据分析。Hyo Rang Kang：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、概念构思。Tae Joo Park：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、资金筹措、概念构思。