Orgaanisiin elektrodimateriaaleihin pohjautuvan ohutkalvo-litiumioniakun valmistus atomi/molekyylikerroskasvatusmenetelmällä

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

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 käännösOrgaanisiin elektrodimateriaaleihin pohjautuvan ohutkalvo-litiumioniakun valmistus atomi/molekyylikerroskasvatusmenetelmällä
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Karppinen, Maarit, Vastuuprofessori
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7840-3
Sähköinen ISBN978-952-60-7841-0
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • atomikerroskasvatus
  • molekyylikerroskasvatus
  • lithiumioniakku
  • ohutkalvoakku

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Orgaanisiin elektrodimateriaaleihin pohjautuvan ohutkalvo-litiumioniakun valmistus atomi/molekyylikerroskasvatusmenetelmällä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä