Etude de couches minces de type LiNiVO4 utilisables en tant qu'électrode négative dans des microbatteries au lithium

Abstract

Since fifteen years, considerable effort has been invested in developing thin film solid state microbatteries as possible integrated components in microelectronics. The recent technological improvement concerning miniaturised systems opens a large field of applications for the future use of microbatteries. LiNiVO4 thin films are promising materials as anodes for lithium microbatteries. All the thin films have been prepared by radio-frequency magnetron sputtering using a LiNiVO4 target. The discharge gas was either pure argon or a mixture of argon and oxygen. We have studied the influence of some experimental parameters such as the oxygen partial pressure, the sputtering power, the target-substrate distance, the total pressure and the substrate temperature on the composition, the microstruture and the electrochemical properties. The chemical composition of the thin films has been determined by Rutherford backscattering spectroscopy combined with nuclear reaction analysis. Among all experimental parameters investigated, only the partial pressure of oxygen has a considerable influence on the thin film composition. Auger spectroscopy has revealed a good homogeneity of the thin films. X-ray diffraction shows that the as-deposited thin films are amorphous. The near-stoichiometric composition Li1.12NiV1.02O4.11 has highlighted good electrochemical properties in the potential range [3 V - 0.02 V]. This particular composition displays a high capacity of 1000 mAh/g which is enhanced when the film is annealed at 300°C.

Une forte demande en systèmes électrochimiques rechargeables s'est développée durant la dernière décennie afin d'alimenter en énergie des systèmes miniaturisés. Parmi ces nouveaux systèmes figurent notamment les microbatteries. Les avancées technologiques récentes laissent entrevoir un large champ d'applications quant à l'utilisation prochaine de ces dernières. Les couches minces de LiNiVO4 sont des matériaux prometteurs pour une utilisation en tant qu'anode dans des microbatteries au lithium. Toutes les couches minces ont été préparées par pulvérisation cathodique radio-fréquence à effet magnétron à partir d'une cible de LiNiVO4 sous argon pur ou bien un mélange argon/oxygène. Nous avons en particulier étudié l'influence de certains paramètres de dépôt tels que la pression partielle d'oxygène, la puissance, la distance cible-substrat ou la pression totale sur la composition, la microstructure et les propriétés électrochimiques. L'étude de la composition des couches minces déterminée par RBS, NRA et AES a montré que le rapport V/Ni augmente lorsque la pression partielle d'oxygène dans l'enceinte passe de 0 à 10 %. La diffraction des rayons X montre que les couches brutes sont amorphes. Les meilleurs résultats électrochimiques ont été obtenus pour une couche quasi-stoechiométrique, de composition Li1.12NiV1.02O4.11. Cette composition particulière conduit à l'insertion de 7 ions lithium par unité formulaire ce qui correspond à une capacité spécifique de 1000 mAh/g (quand le cyclage est effectué entre 3 V et 0.02 V). Cette dernière est même légèrement améliorée lorsque la couche est recuite à 300°C.