Dunne laagtechnologie voor vaste-stof on-chip batterijen

Groep: CoCooN

Promotor: Christophe Detavernier en Jolien Dendooven

Begeleiding: Andreas Werbrouck

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

Een van de volgende exponenten van de wet van Moore is het Internet of Things (IoT). Devices worden steeds kleiner, performanter en vooral alomtegenwoordig. Energy harvesting (d.i. energiewinning uit bv. omgevingslicht, thermische of mechanische bronnen), en vooral de opslag van die energie vormt een bijzondere uitdaging.

Een veelbelovende batterijarchitectuur die hierop een antwoord kan bieden is de 3D dunne film vaste-stof batterij, waarbij de batterijcomponenten (positieve elektrode, elektroliet en negatieve elektrode) als dunne lagen worden afgezet bovenop een 3D structuur van micropilaren (zie bovenstaande figuur). Deze batterijarchitectuur is niet alleen compatibel met microelectronica processen zodat een on-chip batterij tot de mogelijkheden behoort, ze is ook veel veiliger dan de huidige batterijtechnologie en laat hogere energie-en vermogensdensiteiten (en dus snellere laadtijden) toe.

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. ALD is een cruciale depositietechniek die de ontwikkeling van 3D vaste-stof batterijen mogelijk maakt, aangezien dit type batterijen zeer hoge eisen stellen aan de gedeponeerde materialen. Het kleinste defect in bv. de elektrolietlaag kan aanleiding geven tot een kortsluiting en falen van de batterij in kwestie.

Binnen de onderzoeksgroep COCOON (conformal coating of nanomaterials) werd de voorbije jaren sterk geïnvesteerd om onderzoek naar batterijmaterialen mogelijk te maken. Zo is onlangs een unieke gloveboxcluster in gebruik genomen waarbij verschillende dunnefilmtechnieken gecombineerd kunnen worden met de (elektrochemische) karakterisering van het materiaal zonder de samples aan de lucht bloot te stellen. Ook de elektrochemische metingen zelf werden geautomatiseerd, zodat tientallen cellen op verschillende temperaturen gekarakteriseerd kunnen worden. Verder werd infrastructuur en expertise ontwikkeld ALD processen voor relevante batterijmaterialen in-situ te bestuderen met spectroscopische ellipsometrie en massaspectrometrie, en de gegroeide lagen structureel te karakteriseren met X-stralen-reflectie, -diffractie (tijdens annealing en/of oxidatie) en -fluorescentie.

In deze thesis zullen een aantal nieuwe ALD processen voor lithium-houdende batterijmaterialen ontwikkeld en bestudeerd worden: het is de bedoeling om, voortbouwend op bestaande kennis rond thermische ALD processen, nieuwe thermische en/of plasma-versterkte ALD processen te ontwikkelen voor de depositie van elektroliet- en elektrodematerialen. In combinatie met eerder binnen de groep ontwikkelde materialen kan dan ultiem een (3D) solid state batterij gefabriceerd en getest worden. Op die manier brengt de thesis inzicht en praktische ervaring rond batterijtechnologie, depositietechnieken en dunne-film karakterisering.