بے ساختہ LiSiON پتلی فلم الیکٹرولائٹ

مصنف:XIA Qiuying، SUN Shuo، ZAN Feng، XU Jing، XIA Hui

سکول آف میٹریل سائنس اینڈ انجینئرنگ، نانجنگ یونیورسٹی آف سائنس اینڈ ٹیکنالوجی، نانجنگ 210094، چین

خلاصہ

آل سالڈ سٹیٹ پتلی فلم لیتھیم بیٹری (TFLB) کو مائیکرو الیکٹرانک آلات کے لیے طاقت کا مثالی ذریعہ سمجھا جاتا ہے۔ تاہم، بے ساختہ ٹھوس ریاست الیکٹرولائٹ کی نسبتاً کم آئنک چالکتا TFLB کے لیے الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کی بہتری کو محدود کرتی ہے۔ اس کام میں، ایمورفوس لیتھیم سلکان آکسی نائٹرائیڈ (LiSiON) پتلی فلمیں TFLB کے لیے ٹھوس ریاست الیکٹرولائٹ کے طور پر میگنیٹران سپٹرنگ کے ذریعے تیار کی جاتی ہیں۔ بہتر جمع کرنے کی حالت کے ساتھ، LiSiON پتلی فلم کمرے کے درجہ حرارت پر 6.3×10-6 S∙cm-1 کی اعلی آئنک چالکتا اور 5 V سے زیادہ وسیع وولٹیج ونڈو کی نمائش کرتی ہے، جس سے یہ ایک موزوں پتلی فلم الیکٹرولائٹ بنتی ہے۔ ٹی ایف ایل بی۔ ایک MoO3/LiSiON/Li TFLB بڑی مخصوص صلاحیت (282 mAh∙g-1 50 mA∙g-1 پر) LiSiON پتلی فلم الیکٹرولائٹ پر مبنی ہے، اچھی شرح کی صلاحیت (50 mAh∙g -1 800 mA∙g-1 پر)، اور قابل قبول سائیکل لائف (200 سائیکلوں کے بعد 78.1% صلاحیت برقرار رکھنا)، عملی ایپلی کیشنز کے لیے اس الیکٹرولائٹ کی فزیبلٹی کو ظاہر کرتا ہے۔

مطلوبہ الفاظ:LiSiON; پتلی فلم الیکٹرولائٹ؛ تمام ٹھوس ریاست لتیم بیٹری؛ پتلی فلم بیٹری

مائیکرو الیکٹرانکس انڈسٹری کی تیز رفتار ترقی، جیسے مائیکرو الیکٹرو مکینیکل سسٹمز (MEMS)، مائیکرو سینسرز، ذہین کارڈز، اور امپلانٹیبل مائیکرو میڈیکل ڈیوائسز، انٹیگریٹڈ مائیکرو سائز انرجی سٹوریج کی مانگ میں اضافہ کا باعث بنتی ہیں۔^[1,2]. دستیاب بیٹری ٹیکنالوجیز میں، آل سالڈ سٹیٹ پتلی فلم لیتھیم بیٹری (TFLB) کو مائیکرو الیکٹرانک آلات کے لیے ان کی اعلی حفاظت، چھوٹے سائز، پاور آن چپ ڈیزائن، لمبی سائیکل لائف، اور کم ہونے کی وجہ سے طاقت کا مثالی ذریعہ سمجھا جاتا ہے۔ خود خارج ہونے والے مادہ کی شرح. TFLB کے کلیدی اجزاء میں سے ایک کے طور پر، ٹھوس ریاست کی پتلی فلم الیکٹرولائٹ TFLB کی خصوصیات کا تعین کرنے میں اہم کردار ادا کرتی ہے۔^[3]. لہذا، اعلی کارکردگی والی ٹھوس ریاست پتلی فلم الیکٹرولائٹ کی ترقی ہمیشہ TFLB کی ترقی کے لئے ایک اہم مقصد ہے. اس وقت، TFLB میں سب سے زیادہ استعمال ہونے والا الیکٹرولائٹ بے ساختہ لیتھیم فاسفورس آکسی نائٹرائڈ (LiPON) ہے، جس میں اعتدال پسند آئنک چالکتا (2×10-6 S∙cm-1)، کم الیکٹرانک چالکتا (~{{5) ہے }} S∙cm-1)، چوڑی وولٹیج ونڈو (~5.5 V)، اور لتیم کے ساتھ اچھی رابطہ استحکام^[4,5]. تاہم، اس کی آئنک چالکتا نسبتاً کم ہے، جو انٹرنیٹ آف تھنگز (IoT) کے آنے والے دور کے لیے ہائی پاور TFLB کی مستقبل کی ترقی میں رکاوٹ ہے۔^[6]. اس طرح، اگلی نسل کے TFLB کے لیے بڑھتی ہوئی آئنک چالکتا کے ساتھ نئی پتلی فلم الیکٹرولائٹس کے ساتھ ساتھ بڑی وولٹیج ونڈو اور لیتھیم کے ساتھ اچھے رابطے کے استحکام کو تیار کرنا فوری ہے۔

مختلف غیر نامیاتی ٹھوس ریاست الیکٹرولائٹ مواد میں سے، Li2O-SiO2 ٹھوس حل کے نظام اور ان کے ڈیوٹروجینک مراحل کو ان کے تیز رفتار تین جہتی لتیم کنڈکشن چینلز کی وجہ سے ممکنہ پتلی فلم الیکٹرولائٹس کے طور پر شناخت کیا گیا تھا۔^[7]. مثال کے طور پر، چن، وغیرہ۔^[8]اطلاع دی گئی کہ Al نے Li4.4Al0.4Si0.6O4-0.3Li2O ٹھوس الیکٹرولائٹ میں 5.4×10-3 S∙cm{{12} کی اعلی آئنک چالکتا ہے } 200 ڈگری پر۔ عدنان، وغیرہ۔^[9] پایا کہ Li4Sn0۔{3}}2Si0.98O4 کمپاؤنڈ محیطی درجہ حرارت پر 3.07×10-5 S∙cm-1 کی زیادہ سے زیادہ چالکتا قدر رکھتا ہے۔ تاہم، Li2O-SiO2 الیکٹرولائٹ سسٹمز پر پچھلے کام زیادہ تر پاؤڈر مواد پر توجہ مرکوز کرتے تھے جن میں اعلی کرسٹلینٹی تھی، جبکہ TFLB کے لیے ان کے بے ساختہ پتلی فلمی ہم منصبوں پر بہت محدود کام کی اطلاع ملی تھی۔ چونکہ TFLB عام طور پر کیتھوڈ، الیکٹرولائٹ اور اینوڈ پرت کی پتلی فلموں کو تہہ بہ تہہ جمع کر کے بنایا جاتا ہے، اس لیے الیکٹرولائٹ فلم کو نسبتاً کم درجہ حرارت پر تیار کرنے کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان ناموافق تعاملات سے بچا جا سکے، جس کے نتیجے میں کریک اور شارٹ سرکٹ ہو جاتا ہے۔ TFLB^[1,2]. اس طرح، کم درجہ حرارت پر تیار کردہ بے ساختہ خصوصیت کے ساتھ Li2O-SiO2 الیکٹرولائٹ تیار کرنا TFLB کے لیے اہم ہے۔ اگرچہ حالیہ کام^[6] ظاہر کرتا ہے کہ 2.06×10-5 S∙cm-1 کی ایک اعلی لیتھیم آئنک چالکتا بے ترتیب Li-Si-PON پتلی فلم کے ذریعے حاصل کی جا سکتی ہے، الیکٹروڈ کے ساتھ اس کا رابطہ استحکام اور TFLB میں الیکٹرو کیمیکل استحکام ابھی باقی ہے۔ تفتیش کی جائے. لہذا، یہ انتہائی اہم ہے کہ اعلی کارکردگی والے Li2O-SiO2 پر مبنی پتلی فلم الیکٹرولائٹ تیار کریں اور TFLB میں اس کے حقیقی اطلاق کا مظاہرہ کریں۔

اس کام میں، بے ساختہ لتیم سلکان آکسی نائٹرائیڈ (LiSiON) پتلی فلم کو ریڈیو فریکوئنسی (RF) میگنیٹران سپٹرنگ کے ذریعے کمرے کے درجہ حرارت پر تیار کیا گیا اور TFLB کے لیے ٹھوس ریاست الیکٹرولائٹ کے طور پر تحقیق کی گئی۔ پھٹنے کی طاقت اور N2/Ar ورکنگ گیس کے بہاؤ کو LiSiON پتلی فلم کے لیے بہترین جمع کرنے کی حالت حاصل کرنے کے لیے بہتر بنایا گیا تھا۔ مزید یہ کہ، TFLB کے لیے آپٹمائزڈ LiSiON الیکٹرولائٹ کی قابل اطلاقیت کو ظاہر کرنے کے لیے، ایک MoO3/LiSiON/Li مکمل سیل بنایا گیا تھا اور اس کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کی منظم طریقے سے چھان بین کی گئی تھی۔

1 تجرباتی

1.1 LiSiON پتلی فلموں کی تیاری

LiSiON پتلی فلمیں RF میگنیٹران سپٹرنگ (Kurt J. Lesker) کے ذریعے Li2SiO3 ہدف (76.2 ملی میٹر قطر) کے کمرے کے درجہ حرارت پر 12 گھنٹے کے لیے تیار کی گئیں۔ جمع کرنے سے پہلے، چیمبر کا دباؤ 1×10-5 Pa سے کم ہو گیا تھا۔ ہدف سے سبسٹریٹ کا فاصلہ 10 سینٹی میٹر تھا۔ 90 sccm N2 کے بہاؤ پر 80، 100 اور 120 W کی RF پاور کے تحت جمع کیے گئے نمونوں کو بطور نمونہ LiSiON-80N9، LiSiON-100N9، اور LiSiON-120N9، نشان زد کیا گیا ہے۔ بالترتیب اور 90 sccm N2 اور 10 sccm Ar، 90 sccm N2 اور 50 sccm Ar، 50 sccm N2 اور 50 sccm Ar کے بہاؤ پر 100 W کی RF پاور کے تحت جمع کیے گئے نمونے LiSiON- 100N9A1، LiSiON کے بطور نشان زد ہیں۔ بالترتیب -100N9A5، اور LiSiON-100N5A5۔

1.2 MoO3/LiSiON/Li TFLB کی تیاری

ہماری پچھلی رپورٹ کے مطابق MoO3 فلم کو براہ راست کرنٹ (DC) ری ایکٹو میگنیٹران سپٹرنگ (Kurt J. Lesker) کے ذریعے خالص دھات کے Mo ٹارگٹ (76.2 ملی میٹر قطر) کے ذریعے تیار کیا گیا تھا۔^[10]. ہدف سے سبسٹریٹ تک کا فاصلہ 10 سینٹی میٹر تھا، اور ڈی سی سپٹرنگ پاور 60 ڈبلیو تھی۔ جمع کرنے کو 40 sccm Ar اور 10 sccm O2 کے بہاؤ پر 100 ڈگری کے سبسٹریٹ درجہ حرارت پر ایک اندرونی اینیلنگ کے ذریعے انجام دیا گیا تھا۔ 1 گھنٹے کے لئے 450 ڈگری پر علاج. LiSiON-100N9A1 پھر MoO3 فلم پر الیکٹرولائٹ کے طور پر جمع کیا گیا۔ اس کے بعد، تقریباً 2 μm موٹائی کی ایک دھاتی لتیم فلم LiSiON فلم پر ویکیوم تھرمل بخارات (Kurt J. Lesker) کے ذریعے جمع کی گئی۔ حتمی من گھڑت مرحلے میں Cu موجودہ کلیکٹر کی جمع اور encapsulation کے عمل کو شامل کیا گیا تھا۔

1.3 مواد کی خصوصیت

نمونوں کے کرسٹل ڈھانچے کو ایکس رے پھیلاؤ (XRD، Bruker D8 Advance) کی خصوصیت تھی۔ نمونوں کی شکلیں اور مائیکرو اسٹرکچرز فیلڈ ایمیشن اسکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپ (FESEM، FEI Quanta 250F) توانائی سے لیس ایکس رے سپیکٹروسکوپی (EDS) سے لیس تھے۔ نمونوں کی بنیادی ترکیبوں کا تجزیہ انڈکٹو جوڑے پلازما ماس اسپیکٹومیٹری (ICP-MS، Agilent 7700X) کے ذریعے کیا گیا۔ نمونوں کی کیمیائی ساخت اور بانڈنگ کی معلومات کو ایکس رے فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی (XPS، Escalab 250XI، Thermo Scientific) کے ذریعے ماپا گیا۔

1.4 الیکٹرو کیمیکل پیمائش

LiSiON پتلی فلم الیکٹرولائٹ کی آئنک چالکتا Pt/LiSiON/Pt کے سینڈوچڈ ڈھانچے کا استعمال کرتے ہوئے ماپا گیا۔ الیکٹرو کیمیکل امپیڈینس اسپیکٹروسکوپی (EIS) (1000 kHz سے 0.1 Hz تک 5 mV کے ممکنہ طول و عرض کے ساتھ) اور نمونوں کی سائیکلک وولٹامیٹری (CV) پیمائش بائیولوجک VMP3 الیکٹرو کیمیکل پر کی گئی تھی۔ ورک سٹیشن MoO3/LiSiON/Li TFLB کی Galvanostatic چارج/ڈسچارج (GCD) پیمائش کمرے کے درجہ حرارت پر آرگن سے بھرے دستانے کے خانے میں نیویئر BTS4000 بیٹری سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے کی گئی۔ الیکٹروڈ ماس لوڈنگ کا تعین کرنے کے لیے سارٹوریئس اینالیٹیکل بیلنس (CPA225D، ریزولوشن 10 ug) استعمال کیا گیا تھا، اور MoO3 فلم کی بڑے پیمانے پر لوڈنگ تقریباً 0.4 mg∙cm-2 ہے۔

2 نتائج اور بحث

جیسا کہ تصویر 1(a) میں ڈالی گئی نظری تصویر میں دکھایا گیا ہے، LiSiON پتلی فلم تیار کرنے کے لیے ایک Li2SiO3 ہدف استعمال کیا گیا تھا۔ تصویر 1(a) میں XRD کا نتیجہ یہ ظاہر کرتا ہے کہ ہدف بڑے Li2SiO3 (JCPDS 83-1517) مرحلے اور معمولی SiO2 مرحلے پر مشتمل ہے۔ ICP-MS پیمائش بتاتی ہے کہ Li : Si کا جوہری تناسب ہدف میں تقریباً 1.79 : 1 ہے۔ عام نمونہ LiSiON-100N9A1 کے لیے ہدف کو پھوڑنے کے بعد شفاف بے ساختہ پتلی فلم حاصل کی گئی تھی (تصویر 1(b))۔ تصویر 1(c) میں کراس سیکشن FESEM امیج سے ماپا گیا عام نمونہ LiSiON-100N9A1 کی موٹائی تقریباً 1.2 μm ہے، جو اس کے تحت تقریباً 100 nm∙h-1 کی شرح نمو کو ظاہر کرتی ہے۔ حالت. جیسا کہ تصویر 1(d) میں ٹاپ ویو FESEM امیج میں دکھایا گیا ہے، LiSiON پتلی فلم کی سطح بہت ہموار اور گھنی ہے بغیر دراڑوں یا پن ہولز کے، یہ شارٹ کٹ اور حفاظتی مسئلہ سے بچنے کے لیے TFLB کے لیے ایک مناسب ٹھوس الیکٹرولائٹ بناتی ہے۔

تصویر 1 (a) XRD پیٹرن اور Li2SiO3 ہدف کا آپٹیکل امیج؛ (b) XRD پیٹرن اور عام نمونے کی نظری تصویر LiSiON- 100N9A1؛ (c) کراس سیکشن اور (d) عام نمونہ LiSiON-100N9A1 کی ٹاپ ویو FESEM تصاویر

XPS تجزیہ Li2SiO3 ہدف اور عام نمونہ LiSiON-100N9A1 کی کیمیائی ساخت اور بانڈنگ معلومات کی چھان بین کے لیے کیا گیا تھا۔ تصویر 2(a) میں XPS سروے اسکین سپیکٹرا Li2SiO3 ہدف میں Li، Si، اور O عناصر کی موجودگی اور LiSiON پتلی فلم میں N عنصر کے تعارف کو ظاہر کرتا ہے۔ XPS نتیجہ کے مطابق LiSiON پتلی فلم میں N : Si کا جوہری تناسب تقریباً 0.33 : 1 ہے۔ ICP-MS پیمائش کے ذریعہ حاصل کردہ متعلقہ جوہری تناسب (1.51 : 1) کے ساتھ ملا کر، مخصوص نمونے LiSiON-100N9A1 کی سٹوچیومیٹری Li1.51SiO2.26N0.33 ہونے کا تعین کیا جاتا ہے۔ Li2SiO3 ہدف (تصویر 2(b)) کے Si2p کور لیول XPS سپیکٹرم میں سنگل Si-Si (103.2 eV) چوٹی کے مقابلے میں، LiSiON پتلی فلم سے اضافی Si-N (101.6 eV) چوٹی کا مشاہدہ کیا جا سکتا ہے۔ ، LiSiON میں نائٹرائڈیشن کی موجودگی کی تجویز کرتا ہے۔^[11,12]. تصویر 2(c) میں Li2SiO3 ہدف کا O1s بنیادی سطح کا XPS سپیکٹرم دو بانڈنگ ماحول دکھاتا ہے: 531.5 eV کی ابتدا SiOx سے ہوئی اور 528.8 eV Li2O کو تفویض کی گئی۔ جمع کرنے کے بعد، 530.2 eV پر ابھرنے والے اضافی جزو کو LiSiON پتلی فلم کے ساتھ دیکھا جا سکتا ہے، جسے سلیکیٹ میں نان برجنگ آکسیجن (آن) کے لیے تفویض کیا جا سکتا ہے۔^[13,14]. تصویر 2(d) میں LiSiON پتلی فلم کے N1s بنیادی سطح کے XPS سپیکٹرم کو تین چوٹیوں میں تبدیل کیا جا سکتا ہے، بشمول Si-N بانڈنگ کے لیے 398.2 eV، Li3N کے لیے 396.4 eV، اور 403.8 eV نائٹرائٹ کی نسلوں کے لیے NO{{11} }، مزید LiSiON نیٹ ورک میں N کے شامل ہونے کی تصدیق کرتا ہے۔^[14,15,16]. جیسا کہ تصویر 2(e) میں اسکیمیٹک طور پر واضح کیا گیا ہے، LiSiON نیٹ ورک میں N کا شامل ہونا زیادہ کراس لنکڈ ڈھانچہ تشکیل دے سکتا ہے، جو تیزی سے لیتھیم آئن کی ترسیل کے لیے فائدہ مند ہے۔^[6,17].

تصویر 2 (a) سروے اسکین، (b) Si2p کور لیول، (c) O1s کور لیول، اور (d) Li2SiO3 ہدف کا N1s کور لیول XPS سپیکٹرا اور عام نمونہ LiSiON-100N9A1; (e) N کی شمولیت کے ساتھ Li2SiO3 سے LiSiON میں جزوی ڈھانچے کی تبدیلی کی اسکیمیٹک مثال

LiSiON پتلی فلموں کی ionic چالکتا اور الیکٹرو کیمیکل استحکام کو بہتر بنانے کے لیے، مختلف LiSiON پتلی فلمیں جو مختلف پھٹنے والی طاقتوں پر جمع ہوتی ہیں، اور کام کرنے والے گیس کے بہاؤ کا موازنہ ان کی آئنک چالکتا اور وولٹیج ونڈوز کے لحاظ سے کیا جاتا ہے۔ LiSiON پتلی فلموں کے کمرے کے درجہ حرارت Nyquist پلاٹوں کو تصویر 3(a) میں دکھایا گیا ہے، اور متعلقہ Pt/LiSiON/Pt سینڈوچ کا ڈھانچہ اور مساوی سرکٹ تصویر 3(b) میں دکھایا گیا ہے۔ جیسا کہ مشاہدہ کیا گیا ہے، Nyquist پلاٹ ایک واحد نیم دائرہ اور ڈائی الیکٹرک کیپیسیٹینس ٹیل کی نمائش کرتے ہیں، جو کہ پتلی فلم کی خصوصیت ہے جس میں بلک ریلیکسیشن کے عمل کے ساتھ ڈائی الیکٹرک کو بلاک کرنے والے رابطوں کے درمیان سینڈویچ کیا جاتا ہے۔^[17]. LiSiON پتلی فلموں کی آئنک چالکتا (σi) کا حساب Eq کا استعمال کرکے لگایا جاسکتا ہے۔ (1)۔

σi{{0}d/(RA)

تصویر 3 (a) مختلف حالات میں جمع ہونے والی LiSiON پتلی فلموں کا الیکٹرو کیمیکل امپیڈینس سپیکٹروسکوپی (EIS) سپیکٹرا؛ (b) Pt/LiSiON/Pt سینڈوچ ڈھانچے اور متعلقہ مساوی سرکٹ کی اسکیمیٹک مثال؛ (c) مختلف حالات میں جمع کردہ LiSiON پتلی فلموں کے CV منحنی خطوط؛ (d) نمونہ LiSiON کا Chronoamperometry وکر-100N9A1

جہاں d فلم کی موٹائی ہے، A مؤثر علاقہ ہے (تقریباً 1 cm2)، اور R فلم کی مزاحمت ہے جس کا اندازہ Nyquist پلاٹ سے لگایا گیا ہے۔ ان LiSiON پتلی فلموں کے لیے حسابی آئنک چالکتا کا موازنہ جدول 1 میں کیا گیا ہے۔ جیسا کہ مشاہدہ کیا گیا ہے، 90 sccm N2 کے مستقل بہاؤ پر جمع ہونے والی LiSiON پتلی فلم کی آئنک چالکتا 80 W سے 100 W تک پھٹنے کی طاقت کے ساتھ بڑھتی ہے، پھر کم ہو جاتی ہے۔ جب اسپٹرنگ پاور کو مزید 120 W تک بڑھا دیا جاتا ہے، جو کہ LiPON الیکٹرولائٹ پر پچھلی رپورٹ کی طرح ہے۔^[18]. آئنک چالکتا میں واضح اضافہ دیکھا جا سکتا ہے جب کام کرنے والی گیس میں N2 تناسب کو 100 W کی مسلسل پھٹنے والی طاقت کے تحت فروغ دیا جاتا ہے، جس کی وجہ لیتھیم آئن کے لیے زیادہ سازگار ماحول کے ساتھ LiSiON میں شامل نائٹروجن کی بڑھتی ہوئی مقدار سے منسوب کیا جا سکتا ہے۔ تحریک^{[5, 18]}. قابل توجہ طور پر، نمونہ LiSiON- 100N9 اور LiSiON-100N9A1 بالترتیب 7.1×10-6 اور 6.3×10-6 S∙cm-1 کی اعلی ترین آئنک چالکتا دکھاتا ہے۔ ، جو واضح طور پر معروف LiPON (~2×10-6 S∙cm-1) سے زیادہ ہیں، پچھلے رپورٹ شدہ بے ترتیب LiNbO3 (~1×10-6 S∙cm{{19} })^[19], LiBON (2.3×10-6 S∙cm-1)^[20], Li-V-Si-O (~1×10-6 S∙cm-1)^[21], Li-La-Zr-O (4×10-7 S∙cm-1)^[22]، اور Li-Si-PO (1.6×10-6 S∙cm-1)^[23]الیکٹرولائٹ فلمیں، یہ ظاہر کرتی ہیں کہ بے ساختہ LiSiON پتلی فلم TFLB کے لیے الیکٹرولائٹ کے طور پر ایک مسابقتی امیدوار ہے۔ LiSiON پتلی فلم کی اعلی آئن چالکتا کو پتلی فلم میں N کو شامل کرنے اور Si-O بانڈز کی بجائے Si-N بانڈز کی تشکیل سے منسوب کیا جا سکتا ہے، جس کی وجہ سے آسان لیتھیم آئن کی نقل و حرکت کے لیے زیادہ جالی دار اینیونک نیٹ ورک بنتا ہے۔^{[17, 24]}. LiSiON پتلی فلموں کی الیکٹرو کیمیکل مستحکم وولٹیج ونڈوز کا اندازہ CV پیمائش کے ذریعے 5 mV∙s-1 کی اسکین ریٹ پر 5.5 V تک وولٹیج کے ساتھ کیا گیا تھا۔ اس بات کی نشاندہی کی جانی چاہئے کہ وولٹیج پر جمع ہونے کی حالت کا اثر LiSiON فلموں کی ونڈو مختلف ہوتی ہے، جس کی وضاحت فی الحال کسی واضح طریقہ کار سے نہیں کی جا سکتی ہے کیونکہ پتلی فلم الیکٹرولائٹ کے بارے میں پچھلی رپورٹس میں کوئی متعلقہ تحقیق نہیں ہے۔^[18,24-25]. بہر حال، جیسا کہ تصویر 3(c) اور جدول 1 میں موازنہ کیا گیا ہے، نمونہ LiSiON-100N9A1 اور LiSiON- 100N5A5 ~50 اور ~5.2 V کی وسیع ترین وولٹیج ونڈوز دکھاتا ہے۔ بالترتیب، جو LiPON الیکٹرولائٹ کے قریب ہیں۔ لہٰذا، آئنک چالکتا اور وولٹیج ونڈو دونوں کو مدنظر رکھتے ہوئے، مزید تفتیش اور مکمل سیل کی تشکیل کے لیے نمونہ LiSiON- 100N9A1 کا انتخاب کیا گیا۔ لیتھیم آئن ٹرانسفرنس نمبر (τi) اور نمونہ LiSiON-100N9A1 کی الیکٹرانک چالکتا (σe) کو دریافت کرنے کے لیے، chronoamperometry کو مزید 10 mV (تصویر 3(d)) کے مستقل وولٹیج پر انجام دیا گیا۔ τi کا حساب Eq سے لگایا جا سکتا ہے۔ (2)۔

τi=(Ib-Ie)/Ib

جہاں Ib ابتدائی پولرائزیشن کرنٹ ہے، اور یعنی مستحکم حالت کرنٹ ہے۔^[18]. τi کا حساب لگایا گیا 0.998، جو کہ 1 کے قریب ہے، یہ بتاتا ہے کہ لتیم آئنوں کی ترسیل الیکٹرولائٹ میں بالکل غالب ہے۔ τi کا تعین آئنوں اور الیکٹرانوں کی ترسیل کے ملے جلے اثر سے ہوتا ہے۔^[24]، جس کا اظہار Eq کے ذریعہ کیا جاسکتا ہے۔ (3)۔

τi=σi/(σi+σe)

اس طرح، نمونہ LiSiON-100N9A1 کا σe 1.26×10-8 S∙cm-1 کے حساب سے لگایا جاتا ہے، جو اس کی آئن چالکتا کے مقابلے میں نہ ہونے کے برابر ہے۔

جدول 1 مختلف حالات کے تحت جمع کردہ LiSiON پتلی فلموں کی لیتھیم آئن چالکتا اور وولٹیج ونڈوز کا موازنہ

TFLB ایپلیکیشن کے لیے موزوں نمونے LiSiON{{0}}N9A1 کی فزیبلٹی کی تصدیق کرنے کے لیے، MoO3/LiSiON/Li TFLB کو مزید من گھڑت بنایا گیا تھا۔ کراس سیکشن FESEM امیج اور MoO3/LiSiON/Li TFLB کی متعلقہ EDS میپنگ امیجز کو تصویر 4(a) میں دکھایا گیا ہے۔ جیسا کہ مشاہدہ کیا گیا ہے، MoO3 کیتھوڈ (تقریباً 1.1 μm موٹائی) اور Li anode کو LiSiON الیکٹرولائٹ کے ذریعے اچھی طرح سے الگ کیا گیا ہے، اور LiSiON الیکٹرولائٹ کے کیتھوڈ اور انوڈ دونوں کے ساتھ سخت رابطہ انٹرفیس ہیں۔ تصویر 4(b) TFLB کے مخصوص CV وکر کو 0.1 mV∙s-1 کی اسکین کی شرح سے 15-3.5 V کے درمیان دکھاتا ہے، جو اچھی طرح سے متعین ریڈوکس چوٹیوں کا ایک جوڑا دکھاتا ہے۔ تقریبا 2.25 اور 2.65 V پر، لتیم آئن کے اندراج اور MoO3 سے نکالنے کے مساوی^[10]. تصویر 4(c) 50 mA∙g-1 (20 μA∙cm-2 کی موجودہ کثافت پر TFLB کے ابتدائی 3 گیلوانوسٹیٹک چارج/ڈسچارج منحنی خطوط کو ظاہر کرتا ہے، جو MoO3 فلم کے بڑے پیمانے پر ہوتا ہے۔ )۔ جیسا کہ مشاہدہ کیا گیا ہے، TFLB 145/297 mAh∙g-1 (58/118.8 μAh∙cm-2) کی ابتدائی چارج/ڈسچارج صلاحیت فراہم کرتا ہے۔ 2nd سائیکل کے بعد، TFLB نے 282 mAh∙g-1 کی اعلیٰ الٹ جانے والی مخصوص صلاحیت کے ساتھ سائیکلنگ کا مستقل رویہ حاصل کیا۔ مختلف موجودہ کثافتوں پر TFLB کی شرح کارکردگی کو تصویر 4(d) میں دکھایا گیا ہے۔ کم موجودہ کثافت پر ابتدائی کئی چکروں میں TFLB کی ناقابل واپسی صلاحیت کے نقصان کو لتیم داخل کرنے سے حاصل کردہ MoO3 میں ناقابل واپسی مرحلے کی منتقلی سے منسوب کیا جا سکتا ہے۔^[26]. تقریباً 219، 173، 107، اور 50 mAh∙g-1 کی مستحکم ڈسچارج صلاحیتوں کو بالترتیب 100، 200، 400، اور 800 mA∙g-1 پر دیکھا گیا ہے، جو اچھی شرح کی صلاحیت کو ظاہر کرتا ہے۔ TFLB کے الیکٹرو کیمیکل استحکام کا جائزہ لینے کے لیے، سائیکل کی کارکردگی کو 200 mA∙g-1 (تصویر 4(e)) کی موجودہ کثافت پر مزید انجام دیا گیا۔ TFLB 200 سائیکلوں کے بعد اپنی ابتدائی ڈسچارج صلاحیت کا 78.1% برقرار رکھ سکتا ہے، اور کولمبک کارکردگی ہر سائیکل کے لیے 100% کے قریب ہے، جو LiSiON الیکٹرولائٹ کے قابل قبول الیکٹرو کیمیکل استحکام کو ظاہر کرتی ہے۔ مختلف سائیکل نمبروں پر TFLB میں الیکٹرولائٹ/الیکٹروڈ انٹرفیس کی چھان بین کے لیے اوپن سرکٹ وولٹیج پر EIS کی پیمائش مزید کی گئی، اور مساوی سرکٹ کے ساتھ متعلقہ Nyquist پلاٹوں کو تصویر 4(f) میں دکھایا گیا ہے۔ جیسا کہ مشاہدہ کیا گیا ہے، MoO3/LiSiON/Li TFLB اسی طرح کے EIS سپیکٹرم کو دکھاتا ہے جو ہمارے پچھلے کام میں MoO3/LiPON/Li TFLB کی تازہ حالت میں ہائی فریکوئنسی والے خطے میں دو نیم دائروں پر مشتمل ہوتا ہے۔^[10]، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ Li/LiSiON انٹرفیشل مزاحمت LiSiON/MoO3 انٹرفیس کے مقابلے میں نہ ہونے کے برابر ہے۔^[20]. Nyquist پلاٹ میں پہلا چھوٹا نیم دائرہ LiSiON الیکٹرولائٹ میں Li+ آئنوں کی آئنک ترسیل سے منسوب ہے، جبکہ دوسرا بڑا نیم دائرہ LiSiON/MoO3 انٹرفیس میں چارج کی منتقلی کے عمل سے مطابقت رکھتا ہے۔^[27,28]. یہ نوٹ کیا جاتا ہے کہ سائیکل کے دوران پہلا چھوٹا نیم دائرہ شاذ و نادر ہی تبدیل ہوتا ہے، جو LiSiON الیکٹرولائٹ کے نسبتاً اچھے چکراتی استحکام کی نشاندہی کرتا ہے۔ تاہم، سائیکل نمبر کے تیار ہونے کے ساتھ ساتھ دوسرا نیم دائرہ آہستہ آہستہ پھیلتا ہے، جس سے سائیکلنگ کے دوران LiSiON/MoO3 انٹرفیشل مزاحمت میں اضافہ ہوتا ہے، جو TFLB کی صلاحیت ختم ہونے کی بنیادی وجہ ہو سکتی ہے۔^[29]. یہ بات قابل ذکر ہے کہ یہ کام TFLB کی تعمیر کے لیے LiSiON الیکٹرولائٹ کو کامیابی سے اپناتا ہے اور پہلی بار MoO3 کیتھوڈ اور لیتھیم انوڈ دونوں کے ساتھ LiSiON کے اچھے انٹرفیشل رابطے کا مظاہرہ کرتا ہے۔ مزید یہ کہ، بڑی مخصوص صلاحیت، اچھی شرح کی صلاحیت، اور MoO3/LiSiON/Li TFLB کی قابل قبول سائیکل کارکردگی اس بات کو ظاہر کرتی ہے کہ LiSiON پتلی فلم TFLB کے لیے الیکٹرولائٹ کے طور پر اچھی طرح سے قابل اطلاق ہے۔

تصویر 4 (a) کراس سیکشن FESEM امیج اور MoO3/LiSiON/Li TFLB کی متعلقہ EDS میپنگ امیجز؛ (b) عام CV منحنی خطوط، (c) ابتدائی تین چارج/ڈسچارج منحنی خطوط، (d) شرح کی کارکردگی، (e) سائیکل کی کارکردگی، اور (f) EIS سپیکٹرا MoO3/LiSiON/Li TFLB کے مختلف سائیکل نمبروں پر نمونہ LiSiON کے ساتھ -100N9A1 بطور الیکٹرولائٹ

3 نتیجہ

خلاصہ طور پر، بے ساختہ LiSiON پتلی فلم الیکٹرولائٹ کو RF میگنیٹران سپٹرنگ کے ذریعے N2/Ar گیس کے بہاؤ کے ساتھ Li2SiO3 ہدف کا استعمال کرتے ہوئے کامیابی کے ساتھ تیار کیا گیا۔ 90 sccm N2 اور 10 sccm Ar کے بہاؤ پر 100 W کی RF پاور کے تحت جمع کی گئی آپٹمائزڈ LiSiON پتلی فلم ہموار سطح، گھنی ساخت، اعلی آئن چالکتا (6.3×10-6 S∙cm-1) رکھتی ہے۔ ، اور وسیع وولٹیج ونڈو (5 V)، جو اسے TFLB کے لیے ایک امید افزا الیکٹرولائٹ مواد بناتی ہے۔ مزید اہم بات یہ ہے کہ، LiSiON الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے، ایک MoO3/LiSiON/Li TFLB کو پہلی بار اعلیٰ مخصوص صلاحیت (282 mAh∙g-1 پر 50 mA∙g-1) کے ساتھ کامیابی سے دکھایا گیا، اچھا شرح کارکردگی (50 mAh∙g-1 at 800 mA∙g-1)، اور قابل قبول سائیکل استحکام (200 سائیکلوں کے بعد 78.1% صلاحیت برقرار رکھنا)۔ اس کام سے Li2O-SiO2 پر مبنی پتلی فلم الیکٹرولائٹ کا استعمال کرکے اعلی کارکردگی والے TFLB کو تیار کرنے کے نئے مواقع ملنے کی امید ہے۔

حوالہ جات

[1] MOITZHEIM S, PUT B, VEREECKEN P M. 3D پتلی فلم لی آئن بیٹریوں میں پیشرفت۔ ایڈوانسڈ میٹریل انٹرفیس، 2019,6(15):1900805۔
[2] XIA Q, ZHANG Q, SUN S, et al. ٹنل انٹرگروتھ LixMnO2 نانو شیٹ اعلی کارکردگی والی آل سالڈ سٹیٹ پتلی فلم لیتھیم مائیکرو بیٹریز کے لیے 3D کیتھوڈ کے طور پر تیار کرتی ہے۔ ایڈوانسڈ میٹریلز، 2021,33(5):2003524۔
[3] DENG Y، EAMES C، FLEUTOT B، et al. مخلوط پولیئنین اثر کے ذریعے لتیم سپریونک کنڈکٹر (LISICON) ٹھوس الیکٹرولائٹس میں لتیم آئن چالکتا کو بڑھانا۔ ACS اپلائیڈ میٹریلز اور انٹرفیس، 2017,9(8):7050-7058۔
[4] BATES JB، DUDNEY NJ، GRUZALSKI GR، et al. بے ساختہ لتیم الیکٹرولائٹ پتلی فلموں اور ریچارج ایبل پتلی فلم کی بیٹریوں کی ساخت اور خصوصیات۔ جرنل آف پاور سورسز، 1993,43(1/2/3):103-110۔
[5] BATES J. بے ترتیب لتیم الیکٹرولائٹ پتلی فلموں کی برقی خصوصیات۔ سالڈ اسٹیٹ آئنکس، 1992,53(56):647-654۔
[6] FAMPRIKIS T، GALIPAUD J، CLEMENS O، et al. سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں کے لیے LiSiPO(N) پتلی فلم الیکٹرولائٹس میں آئنک چالکتا کا مرکب انحصار۔ ACS اپلائیڈ انرجی میٹریلز، 2019,2(7):4782-4791۔
[7] DENG Y، EAMES C، CHOTARD JN، et al. Li4SiO4- Li3PO4 ٹھوس الیکٹرولائٹس میں تیز لتیم آئن ترسیل میں ساختی اور میکانکی بصیرت۔ جرنل آف دی امریکن کیمیکل سوسائٹی، 2015,137(28):9136-9145۔
[8] CHEN R, SONG X. Li4+xMxSi1-xO4-yLi2O (M=Al, B) سسٹمز کے لیے ٹھوس الیکٹرولائٹس کی آئنک چالکتا۔ چینی کیمیکل سوسائٹی کا جریدہ، 2002,49:7-10۔
[9] عدنان ایس، محمد این ایس Li4SiO4 سیرامک ​​الیکٹرولائٹ کی خصوصیات پر Sn متبادل کے اثرات۔ سالڈ اسٹیٹ آئنکس، 2014,262:559-562۔
[10] سن S، XIA Q، LIU J، et al. خود سے کھڑے آکسیجن کی کمی -MoO3-x nanoflake اریوں کو 3D کیتھوڈ کے طور پر اعلی درجے کی آل سالڈ سٹیٹ پتلی فلم لیتھیم بیٹریوں کے لیے۔ جرنل آف میٹریومکس، 2019,5(2):229-236۔
[11] ڈنگ ڈبلیو، لو ڈبلیو، ڈینگ ایکس، وغیرہ۔ مائکروویو ECR میگنیٹران سپٹرنگ کے ذریعہ جمع کردہ SiNx فلم کی ساخت پر ایک XPS مطالعہ۔ ایکٹا فزیکا سینیکا، 2009,58(6):4109-4116۔
[12] KIM H, KIM Y. Li4SiO4 کی جزوی نائٹریٹیشن اور Li4 کی آئنک چالکتا۔ 1SiO3۔ 9N0۔ 1سیرامکس انٹرنیشنل، 2018,44(8):9058-9062۔
[13] MARIKO M, HIDEMASA K, TOMOYUKI O, et al. لتیم آئن بیٹریوں کے لیے SiO anodes کا تجزیہ۔ جرنل آف دی الیکٹرو کیمیکل سوسائٹی، 2005,152(10):A2089۔
[14] FINGERLE M، BUCHHEIT R، SICOLO S، et al. LiCoO پر ردعمل اور خلائی چارج پرت کی تشکیل کیمسٹری مواد، 2017,29(18):7675-7685۔
[15] ویسٹ ڈبلیو، ہوڈ زیڈ، ادھیکاری ایس، وغیرہ۔ کرسٹل لائن Li2PO2N ماخذ سے فلموں کے پلسڈ لیزر ڈپوزیشن کے ذریعے ٹھوس الیکٹرولائٹ الیکٹروڈ انٹرفیس پر چارج ٹرانسفر مزاحمت میں کمی۔ جرنل آف پاور سورسز، 2016,312:116-122۔
[16] SICOLO S, FINGERLE M, HAUSBRAND R, et al. لتیم کے خلاف بے ساختہ LiPON کی انٹرفیشل عدم استحکام: ایک مشترکہ کثافت فنکشنل تھیوری اور سپیکٹروسکوپک مطالعہ۔ جرنل آف پاور سورسز، 2017,354:124-133۔
[17] WU F, LIU Y, CHEN R, et al. پتلی فلم لیتھیم بیٹریوں کے لیے ناول Li-Ti-Si-PON پتلی فلم الیکٹرولائٹ کی تیاری اور کارکردگی۔ جرنل آف پاور سورسز، 2009,189(1):467-470۔
[18] PUT B، VEREECKEN M، MEERSCHAUT J، وغیرہ۔ نانوسکل بیٹریوں کے لیے الٹراتھین RF-sputtered LiPON تہوں کی برقی خصوصیات۔ ACS اپلائیڈ میٹریلز اینڈ انٹرفیس، 2016,8(11):7060-7069۔
[19] NIINOMI H, MOTOYAMA M, IRIYAMA Y. Li-Nb-O فلموں میں لی+ کنڈکشن سول-جیل کے طریقہ کار سے جمع کی جاتی ہے۔ سالڈ اسٹیٹ آئنکس، 2016,285:13-18۔
[20] SONG S, LEE K, PARK H. لتیم بوران آکسی نائٹرائڈ کے ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی اعلی کارکردگی کی لچکدار آل سالڈ سٹیٹ مائیکرو بیٹریاں۔ جرنل آف پاور سورسز، 2016,328:311-317۔
[21] OHTSUKA H, OKADA S, YAMAKI J. Li2O-V2O5-SiO2 ٹھوس الیکٹرولائٹ پتلی فلم کے ساتھ سالڈ اسٹیٹ بیٹری۔ سالڈ اسٹیٹ آئنکس، 1990،40-41:964-966۔
[22] کلیتا ڈی، لی ایس، لی کے، وغیرہ۔ پتلی فلم بیٹریوں کے لیے بے ساختہ Li-La-Zr-O ٹھوس الیکٹرولائٹ کی آئنک چالکتا خصوصیات۔ سالڈ اسٹیٹ آئنکس، 2012,229:14-19۔
[23] SAKURAI Y، SAKUDA A، HAYASHI A، وغیرہ۔ آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم سیکنڈری بیٹریوں کے لیے پلسڈ لیزر ڈپوزیشن کے ذریعے بے ترتیب Li4SiO4-Li3PO4 پتلی فلموں کی تیاری۔ سالڈ اسٹیٹ آئنکس، 2011,182:59-63۔
[24] TAN G, WU F, LI L, et al. تمام ٹھوس ریاست لتیم آئن بیٹریوں کے لیے نائٹروجن-انکارپوریٹڈ لتیم-ایلومینیم-ٹائٹینیم فاسفیٹ پر مبنی پتلی فلم الیکٹرولائٹس کی میگنیٹران سپٹرنگ تیاری۔ جرنل آف فزیکل کیمسٹری C، 2012,116(5):3817-3826۔
[25] YU X، BATES JB، JELLISON G، et al. ایک مستحکم پتلی فلم لتیم الیکٹرولائٹ: لتیم فاسفورس آکسینیٹرائڈ۔ جرنل آف دی الیکٹرو کیمیکل سوسائٹی، 1997,144(2):524۔
[26] کم ایچ، کک جے، لن ایچ، وغیرہ۔ آکسیجن کی خالی جگہیں MoO3-x کی سیوڈوکاپیسیٹیو چارج اسٹوریج کی خصوصیات کو بڑھاتی ہیں۔ قدرتی مواد، 2017,16:454-460۔
[27] گانا ایچ، وانگ ایس، سونگ ایکس، وغیرہ۔ شمسی توانائی سے چلنے والی تمام ٹھوس ریاست لیتھیم ایئر بیٹریاں انتہائی کم درجہ حرارت پر کام کرتی ہیں۔ توانائی اور ماحولیاتی سائنس، 2020,13(4):1205-1211۔
[28] WANG Z، LEE J، XIN H، et al. کیتھوڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیشل (CEI) پرت کے اثرات تمام ٹھوس ریاست کی پتلی فلم بیٹریوں کی طویل مدتی سائیکلنگ پر۔ جرنل آف پاور سورسز، 2016,324:342-348۔
[29] QIAO Y، DENG H، HE P، et al. anionic redox پر مبنی 500 Wh/kg لتیم میٹل سیل۔ جول، 2020,4(6):1311-1323۔