智慧型手機、平板電腦等可攜帶式行動設備蓬勃發展的時代，鋰離子二次電池已是日常生活中不可或缺的儲能裝置，其中全固態薄膜鋰離子電池 (all-solid-state thin film lithium ion battery) 被看好能成為下一世代的鋰離子電池，相較於傳統液態鋰離子電池具有安全性、輕便性、電池形狀設計比較不具限制且更高的能量密度等優點，然而固態電解質的離子導電性質不如液態電解質，且電極/固態電解質界面接觸不佳與相容性問題都是現今全固態鋰離子電池開發上必須克服的困難，本研究欲透過原子力顯微鏡 (atomic force microscopy AFM) 掃描探針與微區阻抗技術 (localized impedance microscopy LIM) 探討鋰離子於固態電解質以及交界面的遷移行為。 本研究選用鋰磷氧氮化物(lithium phosphorous oxynitride LiPON)此種非晶態的固態電解質作為研究對象，使用鍍金探針與Li-Mn-O薄膜電極探針量測LiPON薄膜微區性質。薄膜電極探針的製備方式是以兩步驟製程將Li-Mn-O活性材料合成至AFM探針上，第一步驟為電鍍 (electroplating)，室溫下固定電流密度於0 05 - 0 5 mA/cm2區間電解Mn(NO3)2水溶液，使Mn-O前驅物附著於探針上，其成分為Mn3O4；第二步驟透過水熱法 (hydrothermal method)，於裝有3 M LiOH水溶液的高壓釜環境中，進行持溫100 oC 10小時的水熱反應，使Li元素進入前驅物中，成分主要為Li2MnO3和LiMnO2。也進行歐傑電子能譜儀(Auger electron spectroscopy AES)分析，驗證其確實含有Li、Mn與O元素。 使用鍍金探針量測LiPON薄膜微區阻抗在未施加直流偏壓或低偏壓下，低頻區頻譜能觀察到Warburg效應，而塊材量測方式僅觀測到電荷堆積於阻塞電極 (blocking electrode) 所產生極化電容 (polarization capacitance)。也發現較高偏壓會致使Au探針/LiPON交界處不穩定，出現法拉第反應 (Faradaic reaction)，即為電荷轉移 (charge transfer) 現象，推判是探針周圍LiPON薄膜產生反應。 使用Li-Mn-O薄膜電極探針可直接衡量Li-Mn-O電極/LiPON薄膜交界面的電荷轉移電阻與界面電容，隨著施加直流偏壓增加，電荷轉移電阻有顯著的下降，而LiPON薄膜電阻無太大變化，如何有效降低層與層之間的界面電阻是全固態電池開發上的難關之一，以此種薄膜電極探針技術將可協助各研究團隊探討微觀尺度的界面電性。 本研究以塊材與兩種微區阻抗分析技術探討LiPON薄膜和Li-Mn-O/LiPON界面的電化學特性，未來發展上期望能應用於不同材料系統中，協助探討全固態鋰離子電池內部各界面的反應機制。
鋰錳氧薄膜電極探針之開發與奈米電化學分析
信旭, 廖. (Author). 2016 9月 1
學生論文: Master's Thesis