Synthesis and characterization of pure or doped V2O5 thin films for an application in lithium microbatteries
Synthèse et caractérisation de couches minces de V2O5 dopé ou non pour une utilisation dans des microbatteries au lithium
Résumé
The increasing use of miniaturized electronic devices has led to the developement of lithium microbatteries as miniaturized power sources. Here, we report on the synthesis and characterization of pure and Ag- or Fe-doped V2O5 thin films, deposited by magnetron sputtering or co-sputtering, as positive electrode in lithium microbatteries. Among the different deposition parameters, the oxygen partial pressure plays an important role. Thin films prepared at low oxygen partial pressures (< 10 %) are amorphous and dense and show excellent cycling stabilities event at high current densities. Pure V2O5 thin films deposited at higher oxygen partial pressures (≤ 10 %) are crystallized and porous and characterized by an important capacity fading during cycling. Therefore, the morphology has a strong influence on the cycling stability.
The redox processes occurring during cycling have been identified by XPS spectroscopy and consist in a partial reduction of V5+ ions into V4+ and further on V3+ during discharge and their reoxidation during charge. A better reversibility of this process is observed for the amorphous thin films, which is at the origin of their good cycling stability. Moreover, XPS measurements have evidenced the formation of a passivation layer at the interface thin film/liquid electrolyte. Concerning the Ag- or Fe-doped V2O5 thin films, the doping effect is weak for the thin films prepared in absence of oxygen. On the contrary, a strong influence is observed for thin films deposited at 14 % oxygen partial pressure. It leads to an increased discharge capacity and, in the case of Fe-doped thin films, to an improved cycling stability. For Ag-doped thin films, XPS measurements have evidenced the additional participation of Ag+ ions in the occurring redox processes.
The redox processes occurring during cycling have been identified by XPS spectroscopy and consist in a partial reduction of V5+ ions into V4+ and further on V3+ during discharge and their reoxidation during charge. A better reversibility of this process is observed for the amorphous thin films, which is at the origin of their good cycling stability. Moreover, XPS measurements have evidenced the formation of a passivation layer at the interface thin film/liquid electrolyte. Concerning the Ag- or Fe-doped V2O5 thin films, the doping effect is weak for the thin films prepared in absence of oxygen. On the contrary, a strong influence is observed for thin films deposited at 14 % oxygen partial pressure. It leads to an increased discharge capacity and, in the case of Fe-doped thin films, to an improved cycling stability. For Ag-doped thin films, XPS measurements have evidenced the additional participation of Ag+ ions in the occurring redox processes.
Le développement récent de systèmes électroniques miniaturisés est à l'origine de nombreuses études actuellement entreprises sur les microbatteries au lithium. Dans ce contexte technologique important, ce travail a porté sur l'étude des couches minces de V2O5 dopé ou non, préparées par pulvérisation ou co-pulvérisation cathodique, pour une utilisation comme électrode positive dans des microbatteries au lithium. Parmi les différents paramètres de dépôt, la pression partielle d'oxygène joue un rôle important sur les propriétés des couches minces de V2O5 pur. Pour de faibles pressions partielles d'oxygène (< 10 %), les couches minces sont amorphes avec une morphologie dense. Elles présentent une exellente tenue en cyclage, même sous de fortes densités de courant. Pour des pressions partielles d'oxygène plus élevées (≥ 10 %), les couches minces sont cristallisées et poreuses et sont caractérisées par une mauvaise tenue en cyclage. La morphologie a donc une forte influence sur la stabilité en cyclage. L'étude par spectroscopie XPS a permis de mettre en évidence la réduction partielle des ions V5+(en exposant) en V4+(en exposant) puis V3+(en exposant) lors de la décharge et leur réoxydation lors de la charge. Une meilleure réversibilité de ces processus d'oxydo-réduction est observée pour les couches minces amorphes, ce qui est à l'origine de leur bonne stabilité en cyclage. De plus, la formation d'une couche de passivation à l'interface couche mince/électrolyte liquide a été mise en évidence par XPS. En ce qui concerne les couches minces de V2O5 dopé à l'argent ou au fer, l'influence du dopage est faible lorsque les couches sont déposées en absence d'oxygène. En revanche, elle est plus significative pour une pression partielle d'oxygène de 14 %. Une augmentation de la capacité ainsi que, pour certains matériaux, une nette amélioration de la stabilité en cyclage sont observées. Dans le cas des couches dopées à l'argent, une étude par XPS a mis en évidence la participation additionnelle des ions Ag+(en exposant) aux processus d'oxydo-réduction.