AFM: 利用电子离域作用提升全固态薄膜电池异质结构正极的容量与稳定性

文章总结

由于物联网（IoT）技术的成熟，全固态薄膜电池（ATFBs）凭借其出色的兼容性和易于集成的特点，已成为微电子设备的理想电源。然而，全固态薄膜电池面临着与电极材料的电子和离子传输性能相关的挑战，这导致其比容量有限，综合性能往往达不到实际应用的要求。在此，我们提出了一种通过引入铜杂原子构建具有电子离域界面的 V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构的策略，这有效地提高了电池的储锂能力。同时，内置电场的构建和电子离域效应增强了电子和离子的传输动力学。因此，这种异质结构薄膜正极的初始放电比容量高达 76.4 微安时每平方厘米每微米（µAh cm⁻² µm⁻¹），并且在液态半电池中经过 4000 次循环后仍表现出超高的循环稳定性。最后，得益于这种高容量且稳定的异质结构正极，我们进一步展示了一种高耐用性且柔性的全固态薄膜电池。这项工作为进一步提高薄膜正极的能量密度和循环稳定性提供了新思路，并有望拓展其在微电子领域的潜在应用。

图文简介

a）通过磁控溅射制备 VO、VOC1 和 VOC2 薄膜的过程示意图。b）VO、VOC1 和 VOC2 薄膜的拉曼光谱，c）X 射线衍射图谱，以及 d）VO、VOC1 和 VOC2 薄膜的 X 射线光电子能谱。e）VOC1 薄膜的扫描透射电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱（STEM-EDS）图谱，f）V 2p 芯能级 X 射线光电子能谱，以及 g）VOC1 薄膜的 Cu 2p 芯能级 X 射线光电子能谱。

a）VOC1 薄膜的横截面场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像，以及 b）VOC1 薄膜的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）表面光谱分布。c）正交晶系五氧化二钒（V2O5）沿（101）晶面和单斜晶系铜钒氧化物（Cu2V2O7）沿（200）晶面的晶体结构。d）V2O5-Cu2V2O7异质结构的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。黄色方框部分对应于沿（101）晶面的V2O5，而蓝色方框部分表示存在沿（200）晶面的单斜晶系Cu2V2O7。e）高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像及相应的元素分布图，f）VOC1 中H2Cu、O+−和O2V碎片溅射体积的三维重建图像，以及 g）相应的深度剖析曲线。

a）VO、VOC1 和 VOC2 电极的拟合电化学阻抗谱（EIS）图。b）VOC1 电极在第 1 次、第 2 次和第 5 次循环时的恒电流充放电曲线。c）VOC1 电极前三次循环的计算得到的dQ/dV 曲线（微分容量曲线）。d）VO、VOC1 和 VOC2 电极在 5 微安每平方厘米（5μAcm−2）电流密度下的循环性能比较。e）VO、VOC1 和 VOC2 电极的倍率性能，以及 f）在不同比电流下相应的恒电流充放电曲线。在 20 微安每平方厘米（20μAcm−2）电流密度下的长期循环性能 g）和在80 微安每平方厘米（80μAcm−2）电流密度下的长期循环性能 h）。

a）全固态薄膜电池结构的示意图。b）全固态薄膜电池（ATFB）的横截面场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像以及相应的能量色散 X 射线光谱（EDS）线扫描谱图。c）全固态薄膜电池的 EDS 元素分布图。d）基于 VOC1正极的全固态薄膜电池的恒电流充放电曲线。e）在 5 微安每平方厘米（5μAcm−2）电流密度下全固态薄膜电池的循环性能比较。f）全固态薄膜电池的倍率性能。g）柔性全固态薄膜电池在不同弯曲状态下的循环性能。h）在 20 微安每平方厘米（20μAcm−2）电流密度下全固态薄膜电池的长期循环性能。插图展示了由基于 VOC1 正极的全固态薄膜电池点亮的蓝色发光二极管（LED）的照片。

论文信息

通讯作者： Xu Xu

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