ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ LiMn2O4 И LiFePO4
Аннотация
Предложен и успешно реализован подход к синтезу LiMn2O4 и LiFePO4 методом атомно-слоевого осаждения. Выявлены основные закономерности процесса и предложена методика реализации синтеза. Предложены и использованы следующие реагенты: 2,2,6,6-тетраметилгептан-3,5-дион марганца, кислород, хлорид железа (II), триметилфосфат, вода и трет-бутилат лития. Азот использовался как инертный газ для продувки реактора и газ-носитель. Описано влияние параметров процесса на синтез тонких пленок на основе LiMn2O4 и LiFePO4. Установлено, что на фазовый состав образующихся пленок оказывают влияние время напуска прекурсоров и температура процесса. Сделан вывод, что увеличение температуры процесса положительно сказывается на плотности тонких пленок LiFePO4 и LiMn2O4. Оптимальная температура осаждения LiFePO4 и LiMn2O4 400 ºС. Показано, что возможно регулирование содержания каждого элемента и фазового состава в пленках на основе LiFePO4 и LiMn2O4 посредством изменения времени напуска прекурсоров. Оптимальное время напуска прекурсоров для синтеза LiFePO4 и LiMn2O4 4 с при заявленных условиях. Большое значение оказывает время напуска окисляющих агентов – 4 и 6 с для осаждения LiFePO4 и LiMn2O4 соответственно. Выявлена корреляция скорости роста слоя за один цикл, которая составила 0,2 нм/цикл для синтеза LiFePO4. Получаемая в условиях процесса пленка является рентгено-аморфной. Для получения кристаллической структуры пленки отжигали в аргоне при температуре 800 ºС. Изучен механизм взаимодействия прекурсоров с поверхностью подложки: выявлено влияние активации подложки на равномерность роста пленки.
Литература
Lewis N., Nocera D. Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 2006. V. 103. N 42. P. 15729-15735. DOI: 10.1073/pnas.0603395103.
Julien C.M., Mauger A., Zaghib K., Groult H. Comparative issues of cathode materials for Li-Ion batteries. Inorganics. 2014. V. 2. N 1. P. 132-154. DOI: 10.3390/in-organics2010132.
Dahn J.R., Fuller E.W., Obrovac M., Yon U. Thermal stability of LixCoO2, LixNiO2 and λ-MnO2 and consequences for the safety of Li-ion cells. Sol. St. Ionics. 1994. V. 69. N 3. P. 265-270. DOI: 10.1016/0167-2738(94)90415-4.
Whittongham M.S. Lithium batteries and cathode materials. Mater. Chem. Rev. 2004. V. 104. N 10. P. 4271-4302. DOI: 10.1021/cr020731c.
Zhang J.Z., Zhang L., Schlueter J.A., Redfern P.S., Curtiss L., Amine K. Understanding the redox shuttle stability of 3,5-di-tert-butyl-1,2-dimethoxybenzene for overcharge protection of lithiumion batteries. J. Power Sources. 2010. V. 195. N 15. P. 4957-4962. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.02.075.
Churikova A.V., Ivanishchev A.V., Ivanishcheva I.A., Sycheva V.O., Khasanova N.R., Antipov E.V. Determination of lithium diffusion coefficient in LiFePO4 electrode by galvanostatic and potentiostatic intermittent titration techniques. Electrochim. Acta. 2010. V. 55. N 8. P. 2939-2950. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.12.079.
Fan J., Fedkiw P.S. Electrochemical impedance spectra of full cells: Relation to capacity and capacity-rate of rechargeable Li cells using LiCoO2, LiMn2O4, and LiNiO2 cathodes. J. Power Sources. 1998. V. 72. N 2. P. 165-173. DOI: 10.1016/S0378-7753(97)02708-0.
Thackeray M.M., David W.I.F., Bruce P.G., Goodenough J.B. Lithium insertion into manganese spinels. Mater. Res. Bull. 1983. V. 18. N 4. P. 461-472. DOI: 10.1016/0025-5408(83)90138-1.
Sun Y.-K., Oh I.-H., Kim K.Y. Synthesis of spinel LiMn2O4 by the sol−gel method for a cathode-active material in lithium secondary batteries. Ind. Eng. Chem. Res. 1997. V. 36. N 11. P. 4839-4846.
Hon Y.M., Lin S.P., Fung K.Z., Hon M.H. Synthesis and characterization of nano-LiMn2O4 powder by tartaric acid gel process. J. European Ceramic Soc. 2002. V. 22. N 5. P. 653-660. DOI: 10.1016/S0955-2219(01)00382-X.
Medvedeva A.E., Pechen L.S., Makhonina E.V., Rumyantsev A.M., Koshtyal Yu.M., Pervov V.S., Eremenko I.L. Synthesis and electrochemical properties of lithiumion battery cathode materials based on LiFePO4–LiMn2O4 and LiFePO4–LiNi0.82Co0.18O2 composites. Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. P. 829–840. DOI: 10.1134/S003602361907012X.
Nipan G.D., Smirnova M.N., Kop’eva M.A., Nikiforova G.E. Gel combustion synthesis of Li(Ni,Mn,Co,Fe)O2 sol-id solutions. Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. P. 1304–1308. DOI: 10.1134/S0036023619100103.
Fu Y.-P., Lin C.-H., Su Y.-H., Jean J.-H., Wu S.-H. Electrochemical properties of LiMn2O4 synthesized by the microwave-induced combustion method. Ceramics Intern. 2004.
V. 30. N 7. P. 1953-1959. DOI: 10.1016/j.ceramint.2003.12.183.
Patey T.J., B¨uchel R., Nakayama M., Novak P. Electrochemistry of LiMn2O4 nanoparticles made by flame spray pyrolysis. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009. V. 11. N 19.
P. 3756. DOI: 10.1039/b821572n.
Zhang Q.-H., Li S.-P., Sun S.-Y., Yin X.-S., Yu J.-G. LiMn2O4 spinel direct synthesis and lithium ion selective adsorption. Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. N 1. P. 169-173. DOI: 10.1016/j.ces.2009.06.045.
Amarilla J.M., Petrov K., Pico F., Avdeev G., Rojo J.M., Rojas R.M. Sucrose-aided combustion synthesis of nanosized LiMn1.99−yLiyM0.01O4 (M=Al3+, Ni2+, Cr3+, Co3+, y=0.01 and 0.06) spinels. J. Power Sources. 2009. V. 191. N 2. P. 591-600. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2009.02.026.
Aklalouch M., Rojas R.M., Rojo J.M., Saadoune I., Amarilla J.M. The role of particle size on the electrochemical properties at 25 and at 55 °C of the LiCr0.2Ni0.4Mn1.4O4 spinel as 5V-cathode materials for lithiumion batteries. Electrochim. Acta. 2009. V. 54. N 28. P. 7542-7550. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.08.012.
Kamarulzaman N., Yusoff R., Kamarudin N., Shaari N.H., Abdul Aziz N.A., Bustam M.A., Blagojevic N., Elcombe M., Blackford M., Avdeev M., Arof A.K. Investigation of cell parameters, microstructures and electrochemical behaviour of LiMn2O4 normal and nano powders. J. Power Sources. 2009. V. 188. N 1. P. 274-280. DOI: 10.1016/ j.jpowsour.2008.10.139.
Raja M.W., Mahanty S., Basu R.N. Filter paper templated interconnected nanocrystalline LiMn2O4 with high coulombic efficiency and rate capability. J. Mater. Chem. 2009. V. 19. N 34. P. 6161. DOI: 10.1039/b905261e.
Yang M.R., Teng T.H., Wu S.H. LiFePO4/carbon cathode materials prepared by ultrasonic spray pyrolysis. J. Power Sources. 2006. V. 159. N 1. P. 307-311. DOI: 10.1016/ j.jpowsour.2006.04.113.
Arnold G., Garche J., Hemmer R., Ströbele S., Vogler C., Wohlfahrt-Mehrens M. Fine-particle lithium iron phosphate LiFePO4 synthesized by a new low-cost aqueous precipitation technique. J. Power Sources. 2003. V. 119. P. 247-251. DOI: 10.1016/S0378-7753(03)00241-6.
Gants O.Y., Yudina A.D., Zhirnova V.O., Timonina A.S., Lyukshina Y.I., Akhmatova A.A. Synthesis of ruthenium (IV) oxide on tantalum by atomic layer deposition. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [Russ. J. Chem. & Chem. Tech.]. 2020. V. 63. N 7. Р. 26-30. DOI: 10.6060/ivkkt.20206307.6190.
