Nanoscale Solid State Batteries Enabled by Thermal Atomic Layer Deposition of a Lithium Polyphosphazene Solid State Electrolyte

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作者
Alexander J Pearse,Thomas E. Schmitt,Elliot J. Fuller,Farid El-Gabaly,Chuan‐Fu Lin,Konstantinos Gerasopoulos,Alexander C. Kozen,A. Alec Talin,Gary W. Rubloff,Keith Gregorczyk
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:29 (8): 3740-3753 被引量:152
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.7b00805
摘要

Several active areas of research in novel energy storage technologies, including three-dimensional solid state batteries and passivation coatings for reactive battery electrode components, require conformal solid state electrolytes. We describe an atypical atomic layer deposition (ALD) process for a member of the lithium phosphorus oxynitride (LiPON) family, which is employed as a thin film lithium-conducting solid electrolyte. The reaction between lithium tert -butoxide (LiO t Bu) and diethyl phosphoramidate (DEPA) produces conformal, ionically conductive thin films with a stoichiometry close to Li 2 PO 2 N between 250 and 300 °C. Unusually, the P/N ratio of the films is always 1, indicative of a particular polymorph of LiPON that closely resembles a polyphosphazene. Films grown at 300 °C have an ionic conductivity of (6.51 ± 0.36) × 10 –7 S/cm at 35 °C and are functionally electrochemically stable in the window from 0 to 5.3 V versus Li/Li + . We demonstrate the viability of the ALD-grown electrolyte by integrating it into full solid state batteries, including thin film devices using LiCoO 2 as the cathode and Si as the anode operating at up to 1 mA/cm 2 . The high quality of the ALD growth process allows pinhole-free deposition even on rough crystalline surfaces, and we demonstrate the successful fabrication and operation of thin film batteries with ultrathin (<100 nm) solid state electrolytes. Finally, we show an additional application of the moderate-temperature ALD process by demonstrating a flexible solid state battery fabricated on a polymer substrate.
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