Baterias de lítio em filme fino: fabrico e caracterização de LiCoO2 para utilização no cátodo

Abstract

Esta dissertação inclui a deposição e caracterização do Óxido de Lítio Cobalto (LiCoO2) para utilização como cátodo de uma bateria de lítio em filme fino recarregável e flexível. Atualmente, a maior desvantagem desta tecnologia de baterias é a capacidade reduzida. Com este trabalho pretende-se investigar processos de melhoria da capacidade e durabilidade das baterias de lítio em filme fino, passando pelo aumento dos números de ciclos de cargas/ descargas que as baterias conseguem realizar até à sua degradação. Um desses processos consiste na tentativa de obter filmes de LiCoO2 com uma determinada orientação estrutural a temperatura reduzida (~400 ºC), temperatura esta compatível com o substrato flexível de Kapton® utilizado. Para isso recorreu-se, a dois tipos de tratamento térmico: recozimento dos filmes de LiCoO2 num forno convencional e recozimentos dos mesmos por via laser. Outro processo consiste na tentativa de aumentar a área de contacto entre os vários filmes constituintes de uma bateria (sem aumentar as dimensões da bateria), através da incidência do feixe laser num substrato de Kapton®. Para além disto, o ânodo de lítio foi substituído pelo ânodo de germânio que possui uma elevada capacidade gravimétrica (1384 mAh/g) [1], uma elevada difusão de iões de lítio, alta capacidade de inserção/extração de iões de lítio e consegue suportar elevadas taxas de carga/descarga, conduzindo a um melhor desempenho na ciclagem da bateria. A bateria a fabricar será constituída por um substrato de Kapton® 500HN; uma camada de Si3N4, um filme fino de LiCoO2 como cátodo e um filme de LiPON como eletrólito depositados por RF sputtering. O ânodo, inicialmente, foi um filme fino de lítio depositado por evaporação térmica e posteriormente utilizou-se germânio depositado por e-beam. Os contactos são platina depositada por DC sputtering e titânio depositado por e-beam. Para caracterização da bateria recorreu-se a análises de ciclos de carga/descarga utilizando o potencióstato Gamry 600; AFM e microscopia ótica para o substrato de Kapton®; espectroscopia Raman para os filmes de LiCoO2 com recozimento a laser e análises num microscópio SEM para verificar a adesão dos filmes finos.

This dissertation includes the deposition and carachterization of Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) as a cathode on a thin-film lithium-ion rechargeable battery in a flexible substrate. Nowadays, the biggest flaw in this battery technology is its low capacity. This work’s intention is to investigate new processes to improve the capacity and durability of thin-film lithium-ion batteries by increasing its cyclability untill its degradation.One of these processes consists in the attempt to obtain thin films of LiCoO2 with a certain structural orientation on a low temperature (~400 ºC), which is compatible with the Kapton® flexible substrate used.Two types of thermal treatments were used to achieve that: conventional furnace annealing and laser annealing. Another process consists in the attempt to increase the surface area between the many thin-film that form the battery (without increasing the battery’s dimensions), by using a laser to create patterns in the Kapton® substrate. Besides, the anode material (lithium metal) was replaced by germanium, which has a high gravimetric capacity (1384 mAh/g)[1], a high lithium ions difusion, high capacity of lithium ions insertion and extraction and is able to support high charging/discharging rates, which leads to a better performance in the battery’s ciclabillity. The fabricated battery had a Kapton® 500HN substrate; Si3N4, LiCoO2 (as cathode) and LiPON (as electrolyte) thin films deposited by RF sputtering. The anode, initialy, was a lithium thin film deposited by thermal vaporization, but later it was switched to germanium deposited by e-beam.The current collectors are: a Pt thin film deposited by DC sputtering (for the cathode) and a Ti thin film (for the anode) deposited by e-beam. As characterization it will be used the Gamry 600 potentiostate to cycle the battery; AFM and optical microscopy for the Kapton® substrate; Raman spectroscopy for the laser annealed LiCoO2 thin films and SEM analysis of the whole battery to analise the adhesion of the thin films.