文 献 综 述
目前商业化的锂离子电池,由于使用易燃的液态有机电解液,存在不可忽视安全隐患,这限制了其更进一步的大规模应用。通过采用固体电解质材料取代隔膜和有机电解液所形成的固态电池体系,由于其具有电化学窗口宽、安全性好以及可能应用碱金属负极所带来的高能量密度等优势,被认为是最有潜力的下一代电池体系[1]。
固态锂离子导体是极具吸引力的下一代锂离子电池电解质，因为其具有更好的安全性，和通过使用锂金属阳极来提高能量密度的潜力。自从LiPON于1999年由Neudecker和Dudney推出以来，关于固体电解质的研究工作就变得非常热门，固态电解质可能在未来的电池概念中扮演重要的角色[2]。
在过去的几十年里，固体锂电解质已经被用于薄膜微电池中，人们对高性能固态锂离子导体的探索投入了大量的努力。预计在不久的将来，固体电解质将用于制造更大规模的厚膜或散装电池。像类LISICON、石榴石锂、氮化锂、钙钛矿锂、硫代磷酸锂、和卤化锂等几个系列的固体电解质已经被充分研究，它们是固态电池中用作固体电解质的潜在候选材料[3]。其中，硫代磷酸锂具有高电导率[4]，但因为硫化物具有很强的吸湿性，对于固态锂电池的实际应用来说，需要更好的耐久性。LiPON具有比硫化物更好的耐久性和相对良好的离子导电性，因而是一个很好的替代品[5]。
LiPON被认为是一种优质薄膜材料，它是非晶锂离子导体。LiPON和其他玻璃质变体也在电致变色(EC)器件的构建中起到透明薄膜电解质的作用，这可以被认为是光学优化的薄膜电池[6]。对于EC设备和固态电池，固体电解质需要是良好的离子导体，在紫外-可见范围内具有可忽略不计的电导率和高透明度。LiPON具有非常高的电化学稳定性窗口，使其与高压阴极兼容，并与锂金属稳定接触[8]。此外，它表现出可观的锂离子电导率。由于原子立峰结构具有各向同性传导的性能优点，它还具有高可塑性，即使阴极体积发生变化也不会产生裂纹，这些特点使其具有商业应用前景。
为了在固态薄膜电池中提供高能量密度和速率能力，必不可少的是高容量电极和高导电性固态电解质[9]。对于后者，离子在电解质中的电导率决定了薄膜电池整体的内阻，影响其电学性能。除了电解质的比电导率外，界面电阻也是一个重要的参数。一般来说薄膜电池的固态电解质在施加的电压范围内必须是电化学稳定的，并应提供足够的离子导电性，要有低的锂离子扩散活化能。
研究人员采用不同配比的溅射靶材，用反应磁控溅射法制备了不同的LiPON薄膜[10]，并通过XPS、SEM、阻抗谱以及ICP等方法研究了溅射参数、LiPON的化学组成、溅射压力及溅射气体的流量比与其离子电导率之间的关系。
Ane S. Christiansen等人用质谱法、静电探针和光发射光谱研究了氮气氛下LiPON薄膜射频溅射过程中的氮解离和等离子体参数，其结果会与薄膜的电化学性能和微观结构有关。低压和中等功率与较低的等离子体密度、较高的电子温度、较高的等离子体电势和较大扩散长度的溅射粒子相关。这些参数的组合有利于更多氮原子的存在，这一事实与更高的离子电导率相关。压力越高，氮解离越少，离子能量越低，薄膜越薄，离子电导率越低，薄膜结构越差，粗糙度越大。
Fabian Michel采用射频溅射法制备了不同组分的LiPSON。采用扫描电子显微镜(SEM)、x射线光电子能谱(XPS)、光学透射谱和电化学阻抗谱等固态分析方法研究了制备的薄膜的形貌、组成和电致变色性能。发现薄膜的组成由于工艺气体的不同馏分而发生变化。经XPS验证，对于不同馏分的工艺气体，在可见光范围内传输率在80%以上，光带隙在3.7 eV到5.3 eV范围内移动。电化学阻抗谱测量结果表明，在无氩气沉积的薄膜中，氮气含量约为4 sccm时，制备的薄膜具有最高的离子电导率。其离子电导率比添加氩气沉积的薄膜中氮含量约为3 - 7at%时的离子电导率高。而且，通过改变氩和氮的含量比例，可以影响薄膜中硫的掺入以及双配位和三配位氮的种类的比例，离子电导率有望增加[11]. 他们制备的LiPSON薄膜的最高离子电导率比观察到的LiPON薄膜的电导率高出一个数量级，与LiSON薄膜的电导率近似。此外，与其他处理方法相比，射频溅射沉积在生产薄膜方面具有更优越的性能。
Ho Young Park等人用射频反应溅射法在N2等离子体中制备了LiPON薄膜作为锂离子导电电解质[12]。他们研究了非晶态LiPON固体电解质在反应溅射过程中随N2压力变化的特性。随着N2压力的降低，LiPON薄膜的离子电导率和电化学稳定性显著提高。离子电导率接近10-6Sc·m-1，在N2压力为5mTorr时获得1.0-5.0V的稳定窗口，其中的磷酸盐基团之间的氮键数量多于在较高压力下形成的氮键数量。使用这种LiPON固体电解质可以制造Li//LiCoO 2完全薄膜电池，其可以表现出接近理论容量的优异放电特性，显示出相当大的高速率能力。
