ACTIVE POWER STORAGE USING 3D LI-ION BASED THIN FILM CATHODES: A NOVEL SPUTTERING TECHNOLOGY APPROACH

Abstract

As alterações climáticas são um problema global conhecido que afeta a qualidade de vida da população, tornando clara a necessidade de alcançar uma gestão sustentável e uma utilização eficiente dos recursos naturais. As baterias de iões de lítio (LIBs) são cruciais para o armazenamento de energia, em particular para aplicações móveis e micro/nano-eletrónicas, Internet das Coisas (IoT), fotovoltaica (PV) e dispositivos biomédicos. Contudo, nas LIB comerciais, os materiais catódicos apresentam heterogeneidades na composição química e estrutura cristalina, impedindo assim que os materiais exibam toda a sua densidade de energia.Devido à dependência energética e à diminuição dos materiais disponíveis, é necessário desenvolver novas soluções para o armazenamento de energia. Isto leva ao interesse do estudo de baterias de filme fino por pulverização magnética, uma tecnologia limpa e segura que permite reduzir a quantidade de materiais necessários.Óxido de lítio cobalto (LiCoO2), foi um dos primeiros cátodos utilizados em baterias. Assim, foi desenvolvido um filme fino de LiCoO2 para representar um cátodo tradicional e um filme fino de carbono do tipo diamante (DLC) para representar um ánodo.Neste sentido, o trabalho interdisciplinar abrangeu a deposição de dois filmes finos: LiCoO2 e DLC tendo sido obtido revestimentos com 40 nm e 260 nm de espessura, determinada por AFM e SEM, respetivamente. O objetivo desta abordagem foi comparar o potencial de ambos os revestimentos num ambiente similar ao de uma bateria. Para além da deposição dos filmes finos foi realizada também a análise e caracterização do comportamento eletroquímico de ambos.Com esta dissertação, foi possível concluir por XRD que ambos os revestimentos têm uma estrutura amorfa. Através da PP e EIS, foi possível concluir também que ambos os filmes têm uma boa taxa de corrosão e são corroídos numa só constante.

Climate change is a global problem known to affect population life quality, making clear the necessity to achieve sustainable management and efficient use of natural resources. Among these, Li-ion batteries (LIBs) are crucial for energy storage, in particular for mobile and micro/nano-electronics applications, Internet of Things (IoT), photovoltaics (PV) and biomedical devices. Yet, in commercial LIBs, the cathode materials exhibit chemical composition and structural heterogeneities, thus preventing materials from exhibiting their full energy-density.Due to the energy dependency and depletion of materials its necessary to develop new solutions for energy storage. This leads to the interest of studying thin film batteries by magnetron sputtering, a clean and safe technology that allows to reduce the amount of materials need.Lithium cobalt oxide (LiCoO2) was one of the first cathodes used in batteries. Thus, a LiCoO2 thin film was developed to represent a traditional cathode and a diamond-like carbon (DLC) thin film to represent an anode.In this sense, the interdisciplinary work covered the deposition of two thin films: LiCoO2 and DLC, obtaining coatings with 40 nm and 260 nm thickness, determined by AFM and SEM, respectively. The aim of this approach was to compare the potential of both coatings in a battery-like environment. Besides the deposition of the thin films, the electrochemical behaviour of both coatings was also analysed and characterised.With this dissertation, it was possible to conclude by XRD that both coatings have an amorphous structure. Through PP and EIS, it was also possible to conclude that both films have a good corrosion rate and are corroded in one constant.