通電誘發結晶鋰電池鈦-矽-鋁多層膜負極材料界面特性與充放電機制探討

摘要

鋰離子電池是現今最常見的二次電池，被廣泛應用在可攜式電子產品、電動汽車、航空航天及軍事科技上。電池的電極材料是影響充放電性能最根本的要素。現有的石墨負極材料電容量偏低，矽基負極材料擁有極高的理論電容量可以改善此問題，但其充放電時的體積膨脹效應會使得循環壽命大幅下降，是亟需改善的缺點。 本研究設計以鈦膜和鋁膜包夾住薄膜電池充放電時體積變化最為劇烈的矽膜，成為鈦-矽-鋁多層膜鋰離子電池負極。薄膜電極在結晶度與電導表現並不出色，有賴後處理改善。多層膜結構若採用傳統的退火熱處理，當高溫達到一定程度時，會使得相異各層因熱膨脹係數不同而產生彎曲變形現象，需謹慎考慮熱處理條件。此時電致結晶 (Electrical induced crystallization EIC) 處理成為一個值得嘗試的後處理方法，其擴散摻雜效果與結晶度增益特性都能滿足薄膜負極的應用需求。 本研究首先釐清EIC處理對於多層膜材料的擴散行為，電致結晶處理可以室溫下使高電阻結構誘發大量的焦耳熱，並增進材料的結晶度。另一方面，對於低電阻結構則可以引發明顯的電遷移現象，在電遷移過程中低電阻層會產生?多空位缺陷，並促進空位擴散的發生，故能達到更佳的擴散效果。接著驗證EIC處理應用於鋁-矽雙層膜負極的改質，實驗結果證明電致擴散改質具有極佳的電容量增進效果。從TEM微結構分析可發現鋁銅之間的介金屬化合物 (IMC) 層因電致擴散有顯著的成長。此非晶IMC層可以提供額外的鋰離子擴散通道，因此能有效增進材料的充放電特性。 最終檢視鈦-矽-鋁多層膜結構作為鋰離子電池負極的特性。此結構在100次充放電循環後仍能保有仍能保有1112 mAhg-1的電容量，優於現行商用石墨材料，其中結構中的鈦層扮演充放電膨脹緩衝材料，能有效抑制矽層在充放電時的體積變化，使得循環壽命顯著上升。對其施以EIC擴散改質更大幅的增加電容量表現，在100次循環後高達1602 mAhg-1，其原因在於鋁、銅原子的電遷移使得矽層電阻大幅下降，並使結構的空位缺陷增加，可作為鋰離子嵌脫反應的額外通道。 EIC擴散處理能在低溫條件下有效增加材料的結晶特性，同時其優異的擴散促進效果亦對摻雜製程有所助益；本研究證明對於多層膜鋰離子電池電極而言，EIC處理是最佳的後處理方法，可以取代過去受限的後熱處理，帶給薄膜電極更理想的充放電循環表現，此新穎的薄膜電極後處理方式，可供鋰離子電池工業應用參考。

獎項日期	2018 7月 24
原文	???core.languages.zh_ZH???
監督員	Fei-Yi Hung (Supervisor)