[發明專利]一種鋰離子電池用負極材料AlN?Co復合薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201710603502.7
• 申請日: 2017-07-23
• 公開（公告）號: CN107565104A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 周永寧;牛曉葉;吳曉京
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,陸尤

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及鈉離子電池的負極活性材料及其制備方法。

背景技術

人類社會的快速發展、化石能源的過度開采以及環境污染的日益嚴重，促使了能源結構的變革。在眾多儲能系統中，鋰離子電池以其能量密度高、循環壽命長、價格低廉、使用安全和環境友好等優點，逐漸成為新能源領域研究的焦點，并得到了廣泛的應用。為滿足不斷拓展的能源需求，開發比能量更高和性能更穩定的電極材料迫在眉睫。目前用于鋰離子電池的負極材料主要有碳材料、合金材料、過渡金屬化合物及他們的復合材料。其中，金屬氮化物具有較高的熱力學穩定性，且耐腐蝕耐潮濕性能突出；氮化物的平均反應電位較氧化物的電位要更低，更加適合做負極材料。目前金屬氮化物負極材料的研究主要集中在過渡金屬氮化物（如Co₃N、Co₃N、CrN、Si₃N₄、Cu₃N、Zn₃N₂等）及氮基復合物。

本發明提出使用脈沖激光沉積技術制備的AlN-Co復合薄膜負極材料，是一種可用于鋰離子電池的具有良好電化學性能的新型負極材料。

發明內容

本發明的目的在于提出一種性能良好的用于鋰離子電池的AlN-Co復合薄膜負極材料及其制備方法。

本發明提出的用于鋰離子電池的負極材料，是一種AlN、Co復合納米薄膜材料，薄膜厚度為50-200 nm，AlN和Co的摩爾比為（1-3）:1。經研究表明，此類材料具有良好的電化學性能，可作為高性能鋰離子電池的負極材料。目前為止沒有關于這種AlN-Co的復合材料用作鋰離子電池負極材料的報道。

本發明提出的作為鋰離子電池負極材料的AlN-Co復合材料為薄膜形式。

本發明提出的用于鋰離子電池的AlN-Co復合薄膜負極材料的制備方法，具體步驟如下：

用氮化鋁粉和鈷粉按比例混合制作靶材，采用脈沖激光沉積得到AlN-Co復合薄膜；其中，脈沖激光波長為300-400 nm，重復頻率為10-20 Hz，脈沖寬度為5-10 ns；脈沖激光和靶材表面所形成的入射角為30-45°，聚焦鏡焦距為30-50 cm，襯底與靶材的距離為3-5cm；激光能量密度為2-4J·cm^?2；沉積時襯底溫度為室溫，沉積室真空度為5×10^?5-1×10^?4Pa，沉積時間為60-120 min。

本發明中，AlN-Co復合薄膜的物相由透射電子顯微鏡確定，為納米多晶形態。

本發明中，AlN-Co復合薄膜可直接制成鋰離子電池薄膜電極。

本發明中，AlN-Co復合薄膜的電化學性能測試采用由雙電極組成的薄膜電池系統。其中，AlN-Co復合薄膜用作工作電極，高純鋰片同時用作為對電極和參比電極。電解液為鋰三元電解液。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，由脈沖激光沉積在不銹鋼片基片上制得的AlN-Co復合薄膜電極具有充放電性能，在電壓范圍0.01-3.0 V和電流密度500mA·g^?1時，具有較高的可逆容量和循環穩定性，在經過100次循環充放電后容量仍能保持555mAh·g^?1，平均每次循環衰減小于0.1%。

上述性能表明，由脈沖激光沉積技術制備的AlN-Co復合薄膜是一種新型的負極材料，可應用于鋰離子電池。

附圖說明

圖1為AlN-Co復合薄膜在不同電流密度下的倍率性能。

圖2為AlN-Co復合薄膜在500 mA·g^?1的電流密度下的循環效率圖。

具體實施方式

實施例1

用氮化鋁粉和鈷粉按摩爾比1:1混合制作靶材，其中，脈沖激光波長為355 nm，重復頻率為10 Hz，脈沖寬度為10 ns；脈沖激光和靶材表面所形成的入射角為45°，聚焦鏡焦距為30 cm，襯底與靶材的距離為4.5cm；激光能量密度為3 J·cm^?2；沉積時襯底溫度為室溫，沉積室真空度為9.9×10^-5 Pa，沉積時間為60min。