[發(fā)明專利]一種錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料及其制備方法與應用

無效

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• 申請日: 2012-08-17
• 公開（公告）號: CN102832377A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡仁宗;朱敏;曾美琴;孫威;劉江文
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/134
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池負極材料領(lǐng)域，具體涉及一種錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料及其制備方法與應用。

技術(shù)背景

鋰離子二次電池是新能源轉(zhuǎn)換、儲存和利用的重要裝置。目前石墨碳材料是商業(yè)化應用最廣泛的鋰離子電池負極材料，但它存在理論比容量低、安全性能欠佳以及首次不可逆容量大等方面的缺點。其中，碳材料的理論容量低是根本性的問題，僅通過改性或改進制備工藝很難大幅度提高碳材料的性能，無法滿足大型高容量動力電池和儲能電池，以及高能量密度薄膜微電池的要求。因此，開發(fā)新的高容量、高安全性、長壽命和價格低廉的非碳基負極材料是鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵所在。具有高容量和適中嵌鋰電位的錫（Sn）基合金被廣泛研究作為鋰離子電池的負極材料。但是，Sn基負極材料的容量和循環(huán)穩(wěn)定性的矛盾問題還需要進一步解決。

為了提高Sn基負極材料的循環(huán)性能，一直以來最常用的方法是將Sn相（原子、團簇、微/納米顆粒）分散于非活性物質(zhì)（Cu、Ni等）、活性物質(zhì)（Al、Sb等）、非晶材料（C、復合氧化物）等另一基體相中，以期借助基體相的緩沖作用減小Sn相顆粒的體積膨脹效應，從而保持電極結(jié)構(gòu)的完整性以及活性物質(zhì)顆粒之間的良好導電性。這當中，具有各種特殊納米結(jié)構(gòu)的Sn-C復合物已成為目前最受關(guān)注且研究得最多的負極材料，且部分Sn-C復合物確實具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。但是，由于非晶碳基體材料的可恢復彈性應變極小，它遭受較大應力作用時將產(chǎn)生嚴重變形直至破裂。因此，只有當復合材料中的非晶碳基體相的含量較高，或者均勻分散于其中的Sn相顆粒必須只有幾十納米的尺度，充放電過程中電極才能保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；它們對活性物質(zhì)相納米尺度和分散性的高要求增加了材料制備的難度。此外，非晶碳材料的存在避免不了較高首次容量損失的產(chǎn)生。

綜上所述，目前所采用的幾種方法都不能完全有效地改善Sn基負極的循環(huán)性能，其關(guān)鍵原因在于它們不能有效消除Sn→Li_xSn轉(zhuǎn)變過程的極大應力和應變。因此，要進一步解決Sn基負極材料的容量衰減問題，研究者應該著力于降低或消除Sn相體積膨脹過程的內(nèi)應力，除了側(cè)重于電極材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計外，更需要探索新的超彈性緩沖基體相材料。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供克服鋰離子電池Sn負極的體積膨脹效應、提高電極循環(huán)性能的一種錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料的制備方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料的應用。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料，由Sn與非晶NiTi合金構(gòu)成的細粒復合材料，其中，所述的金屬Sn以細微顆粒形式均勻分布在所述的非晶NiTi合金的基體中；

所述的非晶NiTi合金中鎳的質(zhì)量百分含量為40～60%；

所述的錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料中Sn的質(zhì)量百分含量為15～50%；

所述的細微顆粒為長度在1微米以下的不定形顆粒，所述的細微顆粒尺寸優(yōu)選為100～500nm；

所述的錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料的制備方法，包括以下具體步驟：在高純氬（Ar）氣、0.5～5Pa大氣壓、溫度為20～80℃環(huán)境下，將Sn靶材、NiTi合金靶材分別安裝在電源靶頭上，通電進行共濺射，濺射物沉積在導電基體材料上，得到錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料；

其中，

所述的高純Ar氣為純度99.99%以上的氬氣；

所述的Sn靶材安裝在40～100W的直流電源靶頭上；

所述的NiTi合金靶材安裝在150～300W的射頻電源靶頭上；

所述的NiTi合金靶材中鎳的質(zhì)量百分含量為40～60%；

所述的導電基體材料為Cu、Ni、不銹鋼箔等；

所述的導電基體材料使用前需要進行清洗以減少襯底的表面油污及氧化物對膜基結(jié)合的影響；

所述的清洗為在超聲波中分別使用蒸餾水、稀鹽酸、蒸餾水、無水乙醇以及丙酮按順序清洗一遍；

所述的共濺射的時間為0.5～3h。

所述的錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料通過上述方法制備。

所述的錫-非晶鎳鈦復合薄膜負極材料在作為鋰離子電池負極材料中的應用。