Abstrakti
Kiinteisiin elektrolyytteihin perustuvia ohutkalvoakkuja pidetään nykyisin lupaavimpana energianvarastointimenetelmänä mikroelektroniikan sovelluksiin. Niiden käyttöönottoa kuitenkin rajoittaa niiden rajallinen energia- ja tehotiheys. Käyttämällä kolmiulotteisia rakenteita ohutkalvoakkujen substraattina, niiden efektiivistä pinta-alaa ja siten energia- ja tehotiheyttä voitaisiin huomattavasti parantaa. Yksi ainoista tähän tarkoitukseen sopivista ohutkalvojen valmistusmenetelmistä on atomikerroskasvatus (atomic layer deposition, ALD). Potentiaalistaan huolimatta ALD:n hyödyntäminen litiumioniakkujen kehityksessä on toistaiseksi ollut vähäistä, sillä litiumpohjaisten materiaalien valmistus ALD:llä on verrattain uusi tutkimusala.
Tässä väitöskirjatyössä selvitettiin ALD-menetelmän soveltumista kokonaisen akkukenno valmistukseen. Kullekin ohutkalvoakkuun tarvittavalle sähkökemiallisesti aktiiviselle komponentille kehitettiin uusi ALD-prosessi ja nämä yhdistämällä valmistettiin toimiva ohutkalvoakkukenno. Litiumiin pohjautuva ALD-kemia on tavanomaisesta huomattavasti poikkeavaa, ja prosessisuunnittelussa kiinnitettiin huomiota erityisesti tähän ongelmaan. Lisäksi välttämällä siirtymämetallien käyttöä, akkujen kierrätettävyysnäkökulma pyrittiin huomioimaan.
Kiinteää elektrolyyttiä varten kehitettiin uusi ALD-prosessi litiumfosforioksinitridille (LiPON), jota pidetään yhtenä parhaista materiaaleista tähän sovellukseen. Aiemmin sen valmistus ALD-menetelmällä on ollut haasteellista johtuen sen monimutkaisesta koostumuksesta. Tässä työssä keskeinen oivallus oli käyttää lähtöaineena dietyylifosforiamidaattia. Tämä yhdessä litiumbis(trimetyylisilyyli)amiinin kanssa käytettynä mahdollisti kvaternaarisen LiPONin valmistuksen binaarisella ALD-prosessilla. Menetelmä tuotti tasalaatuisia pinnoituksia 3D-mikrorakenteille ja lisäksi materiaalille mitattiin yksi korkeimmista ALD:lla valmistetuille kiinteille elektrolyyteille raportoiduista ioninjohtavuusarvoista.
Elektrodimateriaaleina käytettiin konjugoituneita karbonyyliyhdisteitä, joita ei aikaisemmin ole tutkittu ohutkalvoakuissa. Hiilivetyihin perustuvina niiden ympäristönkuormitus on epäorgaanisia vastineitaan alhaisempaa. Näiden materiaalien valmistukseen sovellettiin atomi/molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) -yhdistelmää; ensimmäistä kertaa litiumpohjaisille materiaaleille. Akun negatiivielektrodia varten kehitettiin valmistusprosessi lithiumtereftalaatille, joka on yksi tämän materiaaliryhmän suorituskykyisimpiä. Positiivielektrodimateriaali, dilitium-1,4-bentseenidiolaatti (Li2Q) on täysin uusi materiaali, jota ei ennen tätä työtä ole raportoitu. Ohutkalvomuodossa kumpikin materiaali osoittautui erittäin suorituskykyiseksi; Li2Q:lla saavutettiin jopa 0.25 s. lataus/purkuaikoja. Nämä materiaalit yhdistämällä saatiin ALD/MLD-menetelmällä valmistettua täysin orgaaninen ohutkalvoakku jolla saavutettiin usean sadan lataus-purkusyklin käyttöikä.
Julkaisun otsikon käännös | Orgaanisiin elektrodimateriaaleihin pohjautuvan ohutkalvo-litiumioniakun valmistus atomi/molekyylikerroskasvatusmenetelmällä |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-60-7840-3 |
Sähköinen ISBN | 978-952-60-7841-0 |
Tila | Julkaistu - 2018 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- atomikerroskasvatus
- molekyylikerroskasvatus
- lithiumioniakku
- ohutkalvoakku
Sormenjälki
Sukella tutkimusaiheisiin 'Orgaanisiin elektrodimateriaaleihin pohjautuvan ohutkalvo-litiumioniakun valmistus atomi/molekyylikerroskasvatusmenetelmällä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.Laitteet
-
-
OtaNano Nanomikroskopiakeskus
Seitsonen, J. (Manager) & Rissanen, A. (Other)
OtaNanoLaitteistot/tilat: Facility
-
Raaka-aineiden tutkimusinfrastruktuuri
Karppinen, M. (Manager)
Kemian tekniikan korkeakouluLaitteistot/tilat: Facility