[发明专利]一种薄膜电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属薄膜锂离子电池材料及传感器材料技术领域，具体涉及一类NASICON结构薄膜电解质材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着微电子领域的蓬勃发展，对高能、高效、轻质、长寿命微电源的需求日益迫切。而薄膜锂电池由于其高比能量、安全环保、长寿命、可集成等显著的优势而备受关注。薄膜锂电池材料的研究取得了重要进展，主要研究工作多集中在电极材料方面，而有关电解质的研究鲜有报道。目前应用最广的薄膜锂电池电解质是由美国Oak Ridge国家实验室开发的LiPON，该电解质具有电子电导率低(10^-14S/cm)、电化学窗口宽(5.5V)、与锂接触电化学稳定性优越等优点，但也存在易吸潮而导致形态的改变和性能的恶化以及离子电导率偏低等不足。

最近，有研究者致力于寻找新的薄膜电解质材料，以取得更理想的性能，如Lee J等将室温电导率高达10^-3S/cm的钙钛矿结构的Li_3xLa_2/3-xTiO₃通过磁控溅射法制备成薄膜电解质，但其性能并不理想甚至导致短路。LiTi2(PO₄)₃是一种NASICON结构的材料，室温下电导率可达10^-6S/cm；用三价离子Al³⁺、Sc³⁺、La³⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Tl³⁺、Eu³⁺、In³⁺、Y³⁺等或四价离子Si⁴⁺等分别部分取代LiTi₂(PO₄)₃中的Ti⁴⁺或P⁵+形成Li_1+xM_xTi_2-x(PO₄)₃(M＝Al，In，etc.)或Li_1+yTi₂(P_1-ySi_yO₄)₃，电导率可提高两到三个数量级。经过高温热处理后形成玻璃-陶瓷结构的Li₂O-MO_x-TiO₂-P₂O₅材料离子电导率则最高可达10^-3S/cm。磁控溅射法是制备薄膜材料的一种相对较成熟的工艺，能够制得大面积、表面均匀致密、附着力强的薄膜。因此本发明将该种Li-M-Ti-P-O材料通过磁控溅射方法制备成薄膜电解质并改善其性能。

发明内容

本发明的目的在于为薄膜锂电池或传感器寻找一类性能更优良的薄膜电解质，使其具有更好的化学稳定性及更高的离子电导率；以及该薄膜的制备方法。

为实现本发明的目的，将一类高离子电导率的NASICON结构的电解质材料制备成薄膜形态并改善其性能，其成分可以用Li-M-Ti-P-O-N(M＝Al、Sc、La、Cr、Fe、Tl、Eu、In、Y或Si中的一种或多种)来表示。以NASICON结构的LiTi₂(PO₄)₃为基础，通过用三价离子Al³⁺、Sc³⁺、La³⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Tl³⁺、Eu³⁺、In³⁺、Y³⁺或四价离子Si⁴⁺分别部分取代其中的Ti⁴⁺或P⁵⁺形成Li_1+xM_xTi_2-x(PO₄)₃或Li_1+yTi₂(P_1-ySi_yO₄)₃，或同时掺入上述多种元素取代；在N₂气氛中溅射制备薄膜时掺入N元素，其中N在电解质中所占的质量分数为0％～27％。