Tunnel Intergrowth LixMnO2 Nanosheet Arrays as 3D Cathode for High‐Performance All‐Solid‐State Thin Film Lithium Microbatteries

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作者
Qiuying Xia,Qinghua Zhang,Shuo Sun,Fiaz Hussain,Chunchen Zhang,Xiaohui Zhu,Fanqi Meng,Kaiming Liu,Hao Geng,Jing Xu,Feng Zan,Peng Wang,Lin Gu,Hui Xia
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (5) 被引量:75
标识
DOI:10.1002/adma.202003524
摘要

Abstract All‐solid‐state thin film lithium batteries (TFBs) are proposed as the ideal power sources for microelectronic devices. However, the high‐temperature (>500 °C) annealing process of cathode films, such as LiCoO 2 and LiMn 2 O 4, restricts the on‐chip integration and potential applications of TFBs. Herein, tunnel structured Li x MnO 2 nanosheet arrays are fabricated as 3D cathode for TFBs by a facile electrolyte Li + ion infusion method at very low temperature of 180 °C. Featuring an interesting tunnel intergrowth structure consisting of alternating 1 × 3 and 1 × 2 tunnels, the Li x MnO 2 cathode shows high specific capacity with good structural stability between 2.0 and 4.3 V (vs. Li + /Li). By utilizing the 3D Li x MnO 2 cathode, all‐solid‐state Li x MnO 2 /LiPON/Li TFB (3DLMO‐TFB) has been successfully constructed with prominent advantages of greatly enriched cathode/electrolyte interface and shortened Li + diffusion length in the 3D structure. Consequently, the 3DLMO‐TFB device exhibits large specific capacity (185 mAh g −1 at 50 mA g −1 ), good rate performance, and excellent cycle performance (81.3% capacity retention after 1000 cycles), outperforming the TFBs using spinel LiMn 2 O 4 thin film cathodes fabricated at high temperature. Importantly, the low‐temperature preparation of high‐performance cathode film enables the fabrication of TFBs on various rigid and flexible substrates, which could greatly expand their potential applications in microelectronics.
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