[發明專利]一種磁控濺射法制備GaN/導電基體復合材料的方法及其在鈉離子電池上的應用

在審

• 申請號: 201610119485.5
• 申請日: 2016-03-02
• 公開（公告）號: CN105779954A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 倪世兵;黃鵬
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;H01M4/58;H01M10/054
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 蔣悅

技術領域

本發明涉及一種磁控濺射法制備GaN/導電基體復合材料的方法，并將其應用于鈉離子電池上，屬于儲能材料與電化學電源領域。

技術背景

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、環境友好等顯著優點，是一種理性的儲能設備。不僅廣泛應用于手機、手提電腦等便攜式電子設備中，也被視為未來電動交通工具和大型儲能電站的電源的理想電源。然而，鋰資源儲量有限，很難滿足未來儲能市場的強大需求。隨著鋰資源的不斷開采，其成本正逐漸上升，這對于鋰離子電池在電動汽車及大型儲能電站中的規模化應用形成了巨大挑戰。尋找能夠替代鋰離子電池的低成本、新型儲能裝置迫在眉睫。鈉與鋰處于同一主族，有著相似的物理化學性質，以鈉為核心的鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的工作原理和相近的電化學性能，是鋰離子電池的理想替代物。而且，鈉元素分布廣泛，提煉簡單，成本低廉，這有利于其在電動汽車以及大型儲能電站中的大規模應用。然而，鈉離子電池的性能目前仍遠不如鋰離子電池，制約其發展的主要因素在于電極材料。鈉離子電池電極材料最初的研究思路也類似于鋰離子電池電極材料。然而，后續研究發現，鈉離子電池電極材料并不能完全在鋰離子電池材料體系上進行類推。很多在鋰離子電池中具有優良性能的材料，當應用到鈉離子電池中時，會出現容量低、可逆性差等問題，甚至沒有電化學活性。目前，鈉離子電池正極材料主要是通過在原有鋰離子電池正極材料體系上進行衍生，種類相對豐富。而鈉離子電池負極材料的種類相對匱乏，亟需擴展。探索新型鈉離子電池負極材料對于鈉離子電池的發展具有十分重要的意義。

發明內容

基于以上背景，本項目發展一種濺射法制備GaN/導電基體復合結構，以其作為無粘結劑鈉離子電池負極的顯示了較高的可逆容量。結果表明，GaN可作為一種理想的新型鈉離子電池負極材料。具體制備方法如下：

(1)將純度為99.99％GaN靶材和金屬襯底分別安置于濺射腔中，靶材與襯底距離D＝7cm；

(2)對腔體進行抽真空，V≥1×10^-7Torr；

(3)對襯底進行加熱，并將其溫度保持在25～700℃；

(4)利用磁控濺射對靶材進行轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。

步驟(4)是在反應氣體N₂流量F＝20sccm，工作氣壓P＝100mTorr；濺射功率W＝200w的條件下沉積時間20～200min后得到的。

所述的金屬襯底為銅箔、鎳箔、泡沫銅、泡沫鎳、預沉積石墨烯緩沖層的銅箔、鎳箔、泡沫銅或泡沫鎳中的任意一種。

本發明將所述的磁控濺射法制備的GaN/導電基體復合材料在鈉離子電池上的應用

本發明所涉及的GaN材料及制備方法具有以下幾個顯著特點：

(1)所制備GaN直接生長在導電基體上，與基體結合緊密；

(2)GaN材料的生長厚度可通過調整時間進行控制；

(3)所制備樣品中GaN為均勻的納米顆粒，平均尺寸在40nm；

(4)所制備GaN可作為鈉離子電池負極材料，具有較高充、放電容量和較低的充、放電平臺。

附圖說明

圖1實施例1所制備樣品的SEM圖；

圖2實施例1所制備樣品的首次充、放電曲線；

圖3實施例2所制備樣品的首次充、放電曲線；

圖4實施例3所制備樣品的首次充、放電曲線。

具體實施方式

實施例1