[發明專利]一種用于鋰空電池的類金剛石薄膜正極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201110142542.9
• 申請日: 2011-05-30
• 公開（公告）號: CN102244277A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 楊銀;戴鶴群;傅正文
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬電化學技術領域，具體涉及一類用于鋰空電池的類金剛石（DLC，diamond-like?carbon）薄膜正極材料及其制備方法。

背景技術

鋰空電池由于能量密度非常高，有巨大的潛力成為未來新一代的儲能電源。一個典型的非水系鋰空電池包括金屬鋰負極、由鋰鹽溶解在有機溶劑中形成的電解液以及由具有高比表面積的碳材料、催化劑以及粘結劑所組成的O₂呼吸電極（正極）。目前普遍采用的鋰空電池正極材料為多孔碳材料，然而其重量比容量、循環性能都存在明顯不足。為了進一步提高鋰空電池的性能，人們正在研究、尋找性能更好的新型的正極材料。此外，隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發與此相匹配的鋰空薄膜電池。

發明內容

本發明的目的在于提出一類重量比容量高、循環性能好的鋰空電池正極材料及其制備方法。

本發明提出的鋰空電池正極材料，是一種類金剛石（DLC）薄膜材料。經研究表明，此類材料可作為高性能鋰空電池的正極材料。目前為止沒有關于類金剛石（DLC）薄膜材料用作鋰空電池正極材料的報道。

本發明提出的作為鋰空電池正極材料的類金剛石（DLC）材料為薄膜形式，薄膜厚度為0.1~1μm。

本發明提出用于鋰空電池的類金剛石（DLC）薄膜正極材料的制備方法，采用電子束熱蒸發法，具體步驟為：將石墨作為電子束熱蒸發沉積所用的靶。靶和基片距離為6～7cm，蒸發腔內真空度為10^-3～10^-4Pa，沉積時間為20~40分鐘。

本發明中，類金剛石（DLC）材料薄膜的晶體結構由透射電子顯微鏡（JEOL?2010）確定。選區電子衍射圖譜（SAED）表明由電子束熱蒸發法制得的類金剛石（DLC）材料薄膜的物質結構為納米金剛石分散在無定形碳中。

本發明中，類金剛石（DLC）材料薄膜可直接制成鋰空電池薄膜電極。

本發明中，類金剛石（DLC）材料薄膜電極的電化學性能測試采用由三電極組成的薄膜電池系統。其中，類金剛石薄膜用作工作電極，高純鋰片分別用作為對電極和參比電極。電解液為1M?LiClO₄?+?EC?+?DMC?（V/V=1/1）。薄膜電池裝配在充氬氣的干燥箱內進行。薄膜電池的充放電實驗在藍電（Land）薄膜電池測試系統上進行。

本發明中，由電子束熱蒸發法在硅片等基片上制得的類金剛石（DLC）薄膜電極具有充放電性能，在電壓范圍2.0～4.5V和電流密度20μA/cm²時，放電反應的平臺出現在2.67V（相對于Li/Li⁺），第二次放電過程與第一次放電過程相比，放電平臺提升至2.73V，容量無明顯衰減。第二周以后的循環過程有良好的可逆性。

上述性能表明，類金剛石（DLC）薄膜材料是一種新型的正極材料，可應用于鋰空電池。

附圖說明

圖1為實施例1????????????????????????????????????????????????類金剛石（DLC）材料薄膜的SAED譜圖。

圖2?為實施例1?類金剛石（DLC）材料薄膜的充放電曲線。

具體實施方式

下面通過實施例進一步說明本發明。

實施例：采用電子束熱蒸發法制備類金剛石材料（DLC）薄膜時，將石墨作為電子束熱蒸發沉積所用的靶。靶和基片距離為6～7cm，蒸發腔內真空度為10^-3～10^-4Pa，沉積時間為20~40分鐘。

SAED測定表明沉積的類金剛石（DLC）材料薄膜的物質結構（附圖1）。

對硅基片上的類金剛石（DLC）材料薄膜電極的電化學性能測試結果如下：

類金剛石（DLC）材料薄膜電極可在20μA/cm²充放電速率下進行充放電循環。在電壓范圍2.0-4.5V內，第一次放電容量可達2318mAh/g，最大容量為2730mAh/g左右。充放電曲線見附圖2。

因此，在硅片上沉積的類金剛石（DLC）材料薄膜可用作鋰空薄膜電池的正極材料。