All-solid-state thin-film lithium-ion batteries are important in the development of next-generation energy storage devices with high energy density. However, thin-film batteries have many challenges in their manufacturing procedure. This is because there are many factors, such as substrate selection, to consider when producing the thin film multilayer structure. In this study, we compare the fabrication and performance of all-solid-state thin-film lithium-ion batteries with a $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ cathode/LiPON solid electrolyte/$Li_4Ti_5O_{12}$ anode structure using stainless steel and Si substrates with different surface roughness. We demonstrate that the smoother the surface of the substrate, the thinner the thickness of the all-solid-state thin-film lithium-ion battery that can be made, and as a result, the corresponding electrochemical characteristics can be improved.
The carbon thin film was developed by the CVD method using the carbon source of toluene with the stream of argon gas at $800{\sim}1100^{\circ}C$ for 1 hour. Developed carbon thin films have the material loading of 0.27 mg($800^{\circ}C$), 0.80 mg($900^{\circ}C$), 2.3 mg($1000^{\circ}C$), and 2.9 mg($1100^{\circ}C$) for the disk of 15 mm diameter on single side. The characteristics of carbon thin film as the anode of thin film battery were evaluated using Li|C coin cell. Li|C($1100^{\circ}C$) coin cell has the first specific discharge and charge capacity of 953 mAh/g and 374 mAh/g, respectively, resulting the first Ah efficiency of 39.3 %. Capacity retention of the 5th cycle was 93.2 % indicating good cycleability. The carbon thin film prepared by CVD shows good specific capacity and cycleability, but low Ah efficiency.
Thin film electrode consisting purely of porous anodic tin oxide with well-defined nano-channeled structure was fabricated for the first time and its electrochemical properties were investigated for application to an anode in a rechargeable lithium battery. To prepare the thin film electrode, first, a bi-layer of porous anodic tin oxides with well-defined nano-channels and discrete nano-channels with lots of lateral micro-cracks was prepared by pulsed and continuous anodization processes, respectively. Subsequent to the Cu coating on the layer, well-defined nano-channeled tin oxide was mechanically separated from the specimen, leading to an electrode comprised of porous tin oxide and a Cu current collector. The porous tin oxide nearly maintained its initial nano-structured character in spite of there being a series of fabrication steps. The resulting tin oxide film electrode reacted reversibly with lithium as an anode in a rechargeable lithium battery. Moreover, the tin oxide showed far more enhanced cycling stability than that of powders obtained from anodic tin oxides, strongly indicating that this thin film electrode is mechanically more stable against cycling-induced internal stress. In spite of the enhanced cycling stability, however, the reduction in the initial irreversible capacity and additional improvement of cycling stability are still needed to allow for practical use.
The amorphous vanadium oxide thin films for thin-film rechargeable lithium batteries were fabricated by r.f. reactive sputtering at room temperature. As the experimental parameter, oxygen partial pressure was varied during sputtering. At high oxygen partial pressures(>30%), the as-deposited films, constant current charge/discharge characteristics were carried out in 1M $LiPF_6$, EC:DMC+1:1 liquid electrolyte using lithium metal as anode. The specific capacity of amorphous $V_2O_5$ after 200cycles of operation at room temperature was higher compared to crystalline $V_2O_5$. The amorphous vanadium oxide thin film and crystalline film showed about 60$\mu$Ah/$\textrm{cm}^2\mu\textrm{m}$ and about 38$\mu$Ah/$\textrm{cm}^2\mu\textrm{m}$, respectively. These results suggest that the battery capacity of the thin film vanadium oxide cathode strongly depends on the crystallinity.
All solid state thin film micro-batteries consisting of lithium metal anode, an amorphous LiPON electrolyte and cathode of vanadium oxide have been fabricated and characterized, which were fabricated with cell structure of Li/LiPON/V$_2$O$\sub$5/Pt. The vanadium oxide thin films were formed by d.c. reactive sputtering on Pt current collector. After deposition of vanadium oxide films, in-situ growths of lithium phosphorus oxynitride film were conducted by r.f. sputtering of Li$_3$PO$_4$ target in mixture gas of N$_2$ and O$_2$. The pure metal lithium film was deposited by thermal evaporation on thin film LiPON electrolyte. The cell capacity was about 45${\mu}$Ah/$\textrm{cm}^2$$\mu\textrm{m}$ after 200 cycle. No appreciable degradation of the cell capacity could be observed after 50 cycles .
Electron-beam 증발장치를 이용하여 리튬 박막 2차 전지 양극용 lithium cobalt oxide 박막을 제조하였다. Stainless steel -기판 위에 입혀진 $LiCoO_2$ 박막은 열처리 과정을 거쳐 잘 발달된 hexagonal 구조의 (003)면을 나타냈으며, 3.9 V 부근에서 전위 평탄 영역이 나타났다. $LiCoO_2$, 박막은 증착속도가 증가함에 따라 Li/co 조성비가 양론비에 근접하였으며, $15{\AA}/s$의 증착속도로 제작한 경우 높은 방전용량을 나타내었다. 열처리 온도가 증가함에 따라 용량이 증가하여 $700^{\circ}C$에서 최대 값을 나타내었으나, 그 이상의 온도에서는 기판과의 반응 때문에 방전용량이 현저히 감소하였다. 박막 내부의 리튬과 코발트의 불균일한 조성은 초기 방전용량의 감소를 가져왔다.
리튬금속전지(LMB)는 매우 큰 이론 용량을 갖지만 단락(short circuit), 수명 감소 등을 야기하는 덴드라이트(dendrite)가 형성되는 큰 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서는 poly(dimethylsiloxane) (PDMS)에 graphene oxide (GO) nanosheet를 고르게 분산시킨 PDMS/GO 복합체를 합성하였고 이를 박막 형태로 코팅하여 덴드라이트의 형성을 물리적으로 억제할 수 있는 막의 효과를 이끌어내었다. PDMS의 경우, 그 자체로는 이온 전도체가 아니기 때문에 리튬 이온의 통로를 형성시켜 리튬 이온의 이동을 원활하게 하기 위하여 5wt% 불산(HF)으로 에칭하여 PDMS/GO 박막이 이온전도성을 가질 수 있도록 하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 통해 전면 및 단면을 관찰하여 PDMS/GO 박막의 형상을 확인하였다. 그리고 PDMS/GO 박막을 리튬금속전지에 적용하여 실시한 배터리 테스트 결과, 100번째 사이클까지 쿨롱 효율(columbic efficiency)이 평균 87.4%로 유지되었고, 박막이 코팅되지 않은 구리 전극보다 과전압이 감소되었음을 전압 구배(voltage profile)를 통해 확인하였다.
In this study, Tin oxide thin film for secondary battery was deposited on Pt/Ti/Si(100). It was fabricated by r.f. reactive sputtering with Tin metal target. At constant power (130W), pressure (Base 5$\times$10$^{-6}$ Torr, working 5$\times$10$^{-3}$ Torr) and at room temperature, it was fabricated by Ar/O2 gas ratio. After deposition, we got AFM & SEM to investigated surface of thin films and had XRD to find crystalline of thin films. Charge/discharge characteristics were carried out in 1M LiPF$_{6}$ , EC:DMC = 1:1 liquid electrolyte using lithium metal at room temperature.
Boron doped fullerene $C_{60}$ ($B:C_{60}$) films were prepared by the thermal evaporation of $C_{60}$ powder using argon plasma treatment. The morphology and structural characteristics of the thin films were investigated by scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR) and x-ray photo electron spectroscopy (XPS). The electrochemical application of the boron doped fullerene film as a coating layer for silicon anodes in lithium ion batteries was also investigated. Cyclic voltammetry (CV) measurements were applied to the $B:C_{60}$ coated silicon electrodes at a scan rate of $0.05\;mVs^{-1}$. The CV results show that the $B:C_{60}$ coating layer act as a passivation layer with respect to the insertion and extraction of lithium ions into the silicon film electrode.
양극 물질로 산화바나듐 박막, 고체전해질로는 LiPON 박막 그리고 음극 물질로는 리튬 금속 박막을 선택하여 $Li/LiPON/V_2O_5/Pt$ 구조의 전고상 박막 전지를 제작하였고 전지 특성을 평가하였다. 산화바나듐 박막은 여러 산소 분압에서 직류 반응성 스퍼터링으로 증착하여 전기화학적 특성을 분석한 결과 $20\%\;O_2/Ar$비에서 가장 우수한 가역 특성을 나타내었다. 직류 반응성 스퍼터링에 의해 산화바나듐 박막을 제작한 후 진공을 그대로 유지한 상태에서 r.f. 반응성 스퍼터링에 의해 LiPON 고체전해질 박막을 증착하였다. 그 후 dry room내에서 진공 열증착법에 의해 리튬 금속 박막을 증착하여 전고상의 박막 전지를 제작하였다. $Li/LiPON/V_2O_5$ 박막 전지를 전압 범위와 전류 밀도를 변화시켜 충방전 시험을 행한 결과 $7{\mu}A/cm^2$의 전류 밀도와 3.6-2.7 V의 전압범위에서 가장 우수한 가역 특성을 나타내었다. $Li/LiPON/V_2O_5$박막 전지로 초시계를 구동 시켰으며 이는 in-situ공정에 의해 제작된 박막 전지가 소자 에너지원으로의 응용 가능성을 보여 주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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