Atomaire laag depositie van amorfe transitiemetaal oxides voor lithium-ion batterijen

Groep: CoCooN

Promotor: Christophe Detavernier

Begeleiding: Felix Mattelaer

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

Micro-elektronica kent al vele decennia een exponentiële groei, waarbij devices steeds kleiner, sneller en performanter geworden zijn. ‘Energy harvesting’ heeft de voorbije jaren ook een sterke ontwikkeling gekend, met o.a. energiewinning uit bv. omgevingslicht, thermische of mechanische bronnen. ‘Energy storage’, en meer specifiek batterijtechnologie zijn daarom de Achilleshiel geworden in de ontwikkeling van autonome microsystemen.

cocoon4 2016-2017

Een veelbelovende batterijarchitectuur is de ‘3D dunne film vaste stof batterij’, waarbij de batterijcomponenten (positieve elektrode, elektrolyt en negatieve elektrode) als dunne lagen worden afgezet bovenop een 3D structuur van Si pillaren (zie bovenstaande figuur). In de voorbije jaren werd al veel vooruitgang geboekt op het vlak van de elektrodematerialen voor dit type batterij. Amorfe transitiemetaal oxides (zoals amorf vanadium oxide) zijn zeer beloftevol, omdat ze potentieel hoge capaciteiten en hoge stromen mogelijk maken.

Atomaire laag depositie (ALD) is een depositietechniek waarbij atoomlaag-per-atoomlaag filmen kunnen gegroeid worden. Niet enkel vlakke substraten kunnen zo gecoat worden, maar ook complexe 3D structuren kunnen volledig conform bedekt worden met een ultradun (0.1nm-100nm) laagje materiaal. Een belangrijk voordeel van ALD is dat dit op lage temperatuur kan gebeuren, wat toelaat om amorfe lagen af te zetten, iets wat niet altijd vanzelfsprekend is bij andere depositietechnieken.

Vanadium pentoxide (V2O5) is een gekend lithium-ion kathodemateriaal. Kristallijn V2O5 is echter nooit doorgebroken als kathode door de gelimiteerde energiedensiteit of levensduur. Amorfe vanadium oxides hebben een veel hogere energiedensiteit dan hun kristallijne tegenpool, en zouden potentieel ook een betere levensduur kunnen hebben. Binnen de onderzoeksgroep werd de voorbije jaren een ALD proces ontwikkeld voor de depositie van amorf V2O5, gebruik makend van de TEMAV precursor. Een alternatief proces, gebruik makend van de VTIP precursor, zal in het kader van deze thesis geïmplementeerd worden. Beide amorfe lagen zullen gebenchmarkt worden als lithium-ion batterij kathodes. Een gekend probleem met vanadium oxides is de oplossing van vanadium in het elektrolyt tijdens ontladen van de batterij. Dit probleem kan aangepakt worden door een correcte keuze van potentiaal, of door een extra ALD oppervlaktecoating. Beide routes zullen onderzocht worden tijdens de thesis.

De gegroeide lagen zullen gekarakteriseerd worden met X-stralen-reflectie, -diffractie en -fluorescentie. De elektrochemische karakterisatie zal gebeuren in een Argon-gevulde handschoenkast met een potentiostaat, waarbij laden/ontladen en cyclische voltammetrie uitgevoerd zullen worden. Op die manier brengt de thesis inzicht in depositietechnieken, dunne-film karakterisering, materiaalfysica en batterijtechnologie.