[發明專利]一種鋰離子電池陽極薄膜材料及其制備方法

無效

• 申請號: 200710171826.4
• 申請日: 2007-12-06
• 公開（公告）號: CN101197443A
• 公開（公告）日: 2008-06-11
• 發明（設計）人: 傅正文;孫乾
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/04;C23C14/35
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鋰離子電池的陽極材料及其制備方法。

背景技術

隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發與此相匹配的小型化長壽命電源。由于全固態可充放鋰離子薄膜電池與其它化學電池相比，它的比容量最大，具有超長的充放電壽命，而且安全性能好，全固態可充放鋰離子薄膜電池的研制非常重要。為了提高全固態薄膜鋰離子電池的性能，關鍵技術是在尋找比容量高，循環壽命長，不可逆容量損失少的陽極和陰極材料。尋找性能更好的新型的陽極薄膜材料是本發明的主要目的。

發明內容

本發明的目的在于提出一種比容量高、循環壽命長的鋰離子薄膜電池的陽極材料及其制備方法。

本發明中采用直流磁控共濺射沉積法制備了Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1，優選0.1≤x≤0.9)過渡金屬氮化物薄膜材料。氮化物具有化學穩定性好等優點。例如已有報道Sn₃N₂，Zn₃N₂，Cu₃N，Ge₃N₄，Co₃N，Fe₃N，Ni₃N，Mn₄N等薄膜材料。但沒有多元氮化物過渡金屬氮化物薄膜的電化學性能的報道。

本發明首先發現這些薄膜材料具有良好的電化學性能，比容量大于100mAh/g，而循環50次后基本無可逆容量損失，具有非常好的可逆循環性，顯示了比目前使用在全固態薄膜鋰離子電池的Sn₃N₂等陽極材料的優越性，可能應用于鋰離子電池。

本發明制備Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的方法是采用反應性直流磁控沉積法。濺射腔由一個渦輪分子泵和一個機械泵抽真空直到小于0.5mPa，將金屬鉻粉末和金屬鐵粉末混合之后壓制為共濺射靶。反應氣體為氮氣，沉積薄膜過程中的氣體壓強保持在0.7Pa-5.0Pa。濺射電源的功率為30W-200W，并且保持沉積片和靶之間的距離為5厘米-10厘米，在基片上沉積薄膜。基片溫度為25℃-400℃，沉積時間為5分鐘到5小時。

本發明中，沉積在基片上的Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物為黑色。

本發明中，Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜電極的電化學性能測試采用由三電極組成的電池系統，其中Cr_1-xFe_xN過渡金屬氮化物薄膜用作工作電極，高純鋰片分別用作為對電極和參比電極。電解液為1M?LiPF₆+EC+DMC(V/V＝1/1)。電池裝配在充氬氣的干燥箱內進行。電池的充放電試驗在藍電(Land)電池測試系統上進行。

本發明中由直流磁控反應性沉積法在基片上制得的Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜電極均具有充放電性能。以Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜作為陽極，與金屬鋰組成電池后，在電壓范圍3.5-0.01V和電流密度28μA/cm²時，所有薄膜電極比容量保持在1000mAh/g以上。上述性能表明在基片上制得的Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜電極是一種新型的陽極材料，可以應用于薄膜鋰離子電池。

附圖說明

圖1為Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的XRD譜圖。

圖2為Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的充放電曲線。

圖3為Cr_1-xFe_xN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的掃描電鏡照片。

具體實施方式

實施例1