[發(fā)明專利]鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜及其制備方法

無效

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• 申請日: 2008-06-10
• 公開（公告）號: CN101339989A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發(fā)明（設計）人: 余洪文
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/04;C23C14/34;C23C14/06;C22C13/00;C22C21/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發(fā)明涉及鋰離子電池負極材料技術，特別涉及一種鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池已成為21世紀重要的新型能源之一，廣泛應用于各種便攜式電子產(chǎn)品和電動工具等領域，并有望成為未來混合動力汽車和純電動汽車的能源供給之一。負極材料是鋰離子電池綜合性能優(yōu)劣的關鍵因素之一，目前商業(yè)化碳負極材料雖然具有較好的循環(huán)性能，但是由于其較低的比容量(理論比容量372mAh/g)和較差的倍率放電性能，遠不能滿足未來高容量長壽命電子設備的需求。

近年來，金屬及合金類材料是研究得較多的新型高效儲鋰負極材料體系，其中鋁和錫因其具有比碳材料高得多的比容量(理論比容量分別為2234mAh/g，994mAh/g)而備受關注。另外，鋁合金具有比強度和比剛度高、高溫性能好、耐磨性和耐疲勞性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點。利用鋁合金的優(yōu)點將其用作鋰離子電池負極材料對于提高電極的循環(huán)性能有很大幫助。

純鋁或純錫在作為鋰離子電池負極材料時，由于鋰離子的嵌脫及電解液的“侵入”，電極在鋰嵌脫過程中會產(chǎn)生很大的體積變化，引起鋁或錫等鋰活性物質(zhì)的機械分裂，導致電極逐漸崩塌粉化失效。針對這種缺點，目前的研究主要集中在復合氧化物和合金材料兩個方面，而合金材料大多采用活性和非活性元素形成的合金材料作為鋰離子電池負極材料，如錫鎳合金。這類材料在鋰離子嵌入和脫出的過程中會形成活性和非活性物質(zhì)結構的材料，活性物質(zhì)與鋰反應提供能量，非活性物質(zhì)充當“緩沖體”維持電極的基本結構保證電極的循環(huán)壽命。很顯然，在引入非活性材料時，雖然循環(huán)性能有較大改善，但是存在其電極容量減少的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種在提高電極循環(huán)性能的同時增大電極容量的鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜。

本發(fā)明的另一目的在于提出一種操作工藝簡單，成本低，效率高，無副產(chǎn)物的制備上述鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜的的方法。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)：一種鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜，由固溶體合金材料鋁錫合金構成，所述鋁錫合金中錫的含量為25～75％，最好為50％，其余為鋁；鋁錫合金薄膜的厚度在50～200μm范圍，最好為100μm。

上述鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜采用磁控濺射技術制備，具體方法包括下述步驟：

(1)選用作為薄膜電極集流體的金屬箔作為磁控濺射的基底，并進行基底清洗；

(2)調(diào)節(jié)濺射室氣壓至1.0×10^-3Pa或以上，然后通入惰性氣體并調(diào)節(jié)氣壓在0.1～10Pa范圍；

(3)磁控濺射制備鋁錫合金薄膜，調(diào)節(jié)濺射功率在10W～5KW范圍內(nèi)沉積薄膜，沉積時間在10～60分鐘范圍。

步驟(1)所述的作為薄膜電極集流體的金屬箔為銅箔、鋁箔或其他金屬箔。

步驟(1)中對基底的清洗處理是：先將基底置于金屬清洗劑(可以選用STC-M101高效水基金屬清洗劑)配制的濃度為3～10％的溶液中浸泡，再放入去離子水中浸泡清洗，然后將基底進行干燥后放入濺射室基底基座上，最后對基底表面進行反濺處理；除去基底表面的微塵、油污等雜質(zhì)。

步驟(2)所述的惰性氣體為氬氣或其他惰性氣體，所述通入惰性氣體后調(diào)節(jié)的氣壓最好為1Pa～3Pa。

步驟(3)所述磁控濺射類型可以為直流磁控濺射或射頻磁控濺射。

所述磁控濺射具體操作方式可為垂直濺射或共濺射，且垂直濺射采用的靶材為一個鋁錫合金靶材，其鋁的質(zhì)量百分比為25～75％(最好為50％)；共濺射采用的靶材為分別安裝在兩個不同靶材基座上的鋁單體靶材和錫單體靶材。

由上述方法即可制得本發(fā)明鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果：

(1)本發(fā)明提出的用磁控濺射技術制備出鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜在提高電極循環(huán)性能的同時增大電極容量，相對于文獻中報道的純錫電極，電極容量能提高40％左右，循環(huán)性能也有很大改善。具有充放電容量高，循環(huán)性能好的優(yōu)點。

(2)本發(fā)明提出的鋁錫合金是一種固溶體合金，相對于現(xiàn)有的一般非固溶體合金，不會存在因材料本身引起電極容量降低問題，且這種經(jīng)過“固溶強化”的合金材料具有很好的力學強度。

(3)本發(fā)明提出的鋰離子電池負極用鋁錫合金薄膜采用磁控濺射技術制備。相對于現(xiàn)有的合金薄膜電極制備方法，如電化學沉積法、球磨法、高溫固相法等制備方法，采用磁控濺射制備薄膜電極材料具有操作工藝簡單，成本低，效率高，無副產(chǎn)物等優(yōu)點，制備出的薄膜電極材料晶粒均勻細小，結晶度和力學性能良好。

附圖說明