全固态薄膜锂电池是一种薄膜化的锂离子电池，是利用各种成膜技术在某种衬底(如单晶硅片)上依次沉积正极集流体、正极膜、固体电解质膜、负极膜、负极集流体来构成，根据需要在薄膜电池上沉积3．0～5．0 m厚的封装层对薄膜电池进行保护。

科研人员正在大力发展基于固体电解质的锂离子电池，它具有显著的优点：

(1)相对于液体电解质，固体电解质不挥发，一般不可燃，因此采用固体电解质的固态电池会具有优异的安全性；

(2)由于固体电解质能在宽的温度范围内保持稳定，因此全固态电池能够在宽的温度范围内工作，特别是高温下；

(3)一些固体电解质对水分不敏感，能够在空气中长时间保持良好的化学稳定性，因此固态电池的制造全流程不一定需要惰性气氛的保护，会在一定程度上降低电池的制造成本；

(4)有些固体电解质材料具有很宽的电化学窗口，这使得高电压电极材料有望应用，从而提高电池能量密度；

(5)相对于多孔的凝胶电解质及浸润液体电解液的多孔隔膜，固体电解质致密，并具有较高的强度以及硬度，能够有效地阻止锂枝晶的刺穿，因此提高了安全性 。目前，LiPON的研究最为广泛，并在微型电池中有实际应用的锂离子固体电解质。LiPON薄膜表面平滑、洁净，没有裂缝或针孔等缺陷，因此可以很好地隔离正负两极，并形成良好的接触界面，具有薄膜电解质所需的良好性能 J。LiPON电解质薄膜已经被通过各种气相沉积技术合成，一般情况下，通过冷压煅烧(大约900 oC)技术制备Li，PO 靶材，通过射频磁控溅射技术制备LiPON薄膜 ]。

国外研究现状

电解质薄膜层目前广泛采用的是美国橡树岭国家实验室研发的LiPON薄膜。LiPON比其它含Li氧化物或硫化物玻璃的热稳定性好，致密度高，电化学窗口达5．5 V，室温下离子电导率达3 X 10S／cm，电子电导率低于8×10 S／cm，活化能为0．55 eV，且机械稳定性高，在循环过程中可以减少裂化或粉末化等现象 。

1993年，Bates_l 等人首次成功地研制出综合性能较好的非晶态无机固态电解质LiPON薄膜材料，该研究小组采用射频溅射制备薄膜技术，在纯氮气条件下溅射磷酸锂(Li。PO )陶瓷靶材沉积了LiPON薄膜，各项电化学性能指标都非常突出。氮和氧离

子在LiPON薄膜中是以共价键形式连接并固定在非晶态网络中，仅有锂离子可以在其中移动，故薄膜电池循环性能很好。研究表明LiPON薄膜电解质的各项性能均满足全固态薄膜锂离子电池的要求，同时可以与晶态和非晶态的锰酸锂、钻酸锂等电位较高的正极薄膜以及金属锂、氧化钒等负极薄膜很好地匹配，所以LiPON薄膜材料的成功开发，让薄膜电池的研究进入了一个崭新的阶段。

对于LiPON薄膜电解质的研究，很多研究机构已取得重大突破_】 ：1999年Baba等人研发出一种典型LiXV205／LiPON／V 05结构的全固态薄膜锂离子电池；在此基础上，2003年该研究小组又研制出V2 05／LiP3 04／LiMn2 04／v／V2 05／Li3 PO4／LiMn2 04“堆叠式”结构的薄膜电池，有效地提高了薄膜电池的比容量。2005年Nakazawa等人用磁控溅射方法，制备了“直立型”结构的薄膜电池，增大薄膜电池有效面积，同时也提升了比容量。

2．2 国内研究现状

相比国外，我国在薄膜锂电池方面的研究起步较晚，主要有中国电子科技集团公司第十八研究所、复旦大学、国防科技大学、南开大学、厦门大学、武汉大学、武汉理工大学等开展了这方面研究工作。2002年，Zhao_l 等首次成功利用脉冲激光沉积(PLD)技术成功制备出固态电解质LiPON薄膜，常温下拥有0．58 eV的离子电导活化能，离子电导率达到1．6×10一S／cm；2004年，刘文元等 利用电子束蒸发和氮等离子体辅助一起制备出非晶态结构的LiPON薄膜电解质，离子导电率可达6．0×10S／cm，电化学稳定窗口高于5．0 V。2007～2010年，丁飞 l 。 等采用射频磁控溅射法，通过优化条件成功制备了电导率达2．1×10S／cm的掺杂LiPON电解质薄膜，达到目前LiPON电解质薄膜电导率研究的最高水平，且LiPON薄膜的沉积速度经计算为0．05 rn／h，达到了较高的制备速度。傅正文等通过采用PLD和RMP技术制备了一系列纳米薄膜电极材料，其中包括金属氧化物、金属氟化物、金属氮化物、金属硒化物、金属磷化物等纳米薄膜电极，并研究了其电化学性能。

磷酸锂陶瓷靶材的展望

国外学者C．S．Nimisha等 和国内复旦大学的刘文元等通过实验研究了LiPON薄膜在不同环境中放置后的形貌、组成和性能的变化。结果表明，Li—PON薄膜在干燥环境中放置24 h后，其组成和性能没有发生明显的变化；而在湿度为40％的环境中放置同样的时间后，薄膜由透明转变为浅灰色，且透明度有很大的下降。LiPON薄膜发生了明显的水解反应，平滑致密的薄膜表面形貌变得疏松、局部有突起，薄膜中的P元素减少，并检测到薄膜中有多晶Li CO 生成；水解反应使LiPON薄膜的电学和电化学性能出现恶化迹象 J。

虽然LiPON薄膜作为电解质有诸多优点，但是其在潮湿环境中易于水解还原是一个不能回避的问题，其严重抑制了LiPON薄膜的使用和阻碍固态薄膜电池的发展。这一问题，可以通过掺杂金属离子来提高LiPON薄膜的稳定性 以及通过掺杂磷酸锂粉体制备相应的陶瓷靶材。但是，具体的掺杂元素以及掺杂量有待研究。

此外，当前常用的物理成膜设备(脉冲激光沉积、射频磁控溅射技术等)昂贵，成膜效率低，难以制备大尺寸薄膜锂电池，物理成膜后的电极膜是非晶态，通常需要经过一个退火处理，这样既增加了电极制备难度又限制了一些衬底的使用。可开发化学法制备薄膜电极，如采用电化学沉积的方法在基体上镀上一层薄的电极材料，通过水、溶／溶剂热法直接在基体上生长一层电极材料。固体电解质LiPON的离子电导率大约为10I”S／cm，比纯液态电解质低2～3个数量级。现有的物理方法所获得的固体薄膜离子电导率较低、物理性能较难控制、薄膜制备效率低下严重阻碍薄膜锂离子电池的发展。因此，改进Li—PON电解质膜的制备技术，对LiPON进行掺杂改性，开发新型的高电导率固体电解质是固态薄膜锂电池和储能领域的重要课题之一。开发新的正负极材料，选择合适的电极材料作正负极，采用新的电极成膜技术是制备出高性能薄膜锂电池的关键。