【摘要】 在放电过程中，锂离子从负电极中脱嵌并迁移通过电解质并嵌入正电极中，因为锂原子在正电极中比在负电极中在能量上更有利。

现代社会对开发具有高能量和高功率密度的储能设备的需求不断增加，以用于例如便携式设备、计算系统和电动车辆。因此，开发低成本、清洁能源存储设备的举措越来越多。电池是以化学能的形式储存电力的电化学装置。在电池中，主要思想是通过电化学氧化和还原过程从化学能中获得电能。

 

图1显示了锂离子电池的示意图，显示了其主要组件。在放电过程中，锂离子从负电极中脱嵌并迁移通过电解质并嵌入正电极中，因为锂原子在正电极中比在负电极中在能量上更有利。锂离子的运动伴随着电子从负极到集电器的运动。这些电子通过闭合的外部电路流动，执行有用的功。可以通过使用在电池上施加的外部电动势（EMF）在相反方向上施加电流来对电池充电。

 

图1 显示各种组件的锂离子电池的示意图

 

Yanase等人[1]首次介绍了组合方法在锂离子电池研究中的应用。Dahn等人[8]在达尔豪斯大学进一步发展了这种方法，他们使用组合溅射法在三元体系中制备薄膜。这种方法的优点在于，它允许使用改进的多靶溅射机在不同类型的衬底上进行线性和正交梯度沉积。从那时起，已经研究了用于锂离子电池的负极和正极材料。

 

通过高能粒子的轰击将原子从材料表面喷出的过程称为溅射。高能粒子通常是气态材料的离子，通常是氩（Ar）。图2显示了典型溅射系统的示意图。通常，溅射系统包括：（a）真空室，（b）用作阳极并保持在高正电位的衬底，以及（c）用作阴极并保持在低负电位的靶材。当阳极和阴极之间的电位超过一定值时，就会产生辉光放电，氩就会电离。辉光放电中的电离物质在所施加的电场下被加速。然后，正离子轰击带负电的目标，并在碰撞时从目标中喷出一些原子。

 

图2 溅射系统的基本组件

 

这些喷出的原子沉积在基底上以形成所需的薄膜。这种类型的溅射被称为“直流溅射”，适用于导体和半导体。如果靶材是非导电材料，则正电荷会在材料上积聚，从而停止溅射。然而，如果靶材的极性反转，以从等离子体中吸引足够的电子来消除表面电荷，则可能会进行溅射。这是通过向目标施加射频（RF）AC电压来实现的。这种类型的溅射被称为“RF溅射”。

 

一些溅射系统在靶附近结合磁体，以增加等离子体中带电粒子的碰撞次数，并允许在较低压力下形成等离子体；从而有效地提高溅射速率。这些磁铁产生磁场，使从目标喷出的二次电子沿着螺旋路径运动，这样它们在运动过程中有更大的机会与更多的气体原子碰撞并产生新的离子。这种类型的溅射被称为“磁控溅射”，可以与DC或RF溅射一起使用。这是本论文中用于生产样品的溅射技术，将在下一节中进行描述。关于这些溅射方法的附加信息可以在参考文献[11-12]中找到。

 

瓦里安500升/秒涡轮泵由粗抽泵支持，用于排空腔室。Polycold PFC-400低温泵集成在溅射机内，以去除溅射室中的残余水分，基本压力约可以达到1×10-7。衬底台是水冷的，并且可以旋转。系统中最多可以使用五个目标。五个磁控管各使用一对6mm厚的Nd-Fe-B磁体，并相隔60°；它们是水冷的，以防止目标材料相变或磁体消磁的可能性。

 

为了获得所需的组成范围，可以在靶上放置不同的固定掩模。例如，图2.2还显示了产生“线性”沉积剖面和“恒定”沉积剖面的掩模。溅射台在靶前旋转时的角速度为14rpm，以确保原子水平的混合。选择溅射速率和溅射台的角速度，以便在每次旋转中沉积单原子厚层。

 

图3 显示各种组件的溅射室照片

 

[1] I. Yanase, T. Ohtaki, and M. Watanabe, “Application of combinatorial process to LiCo1-xMnxO2 powder synthesis”, Solid State Ionics 151 (2002) 189-196.

[2] J. Dahn, S. Trussler, T. Hatchard, A. Bonakdarpour, J. Mueller-Neuhaus, K. Hewitt, and M. Fleischauer, “Economical sputtering system to produce large-142 size composition-spread libraries having linear and orthogonal stoichiometry

variations”, Chemistry of Materials 14 (2002) 3519-3523.

 

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