[發(fā)明專利]一種鋰離子電池五元高熵氧化物納米薄膜及其制備和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711421445.7
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN107994228B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔艷華;陳鴻;汪淵;趙宇;崔益秀;張小強(qiáng);胡守亮;魏華;陳勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: H01M4/525
• 分類號: H01M4/525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 夏艷

本發(fā)明公開了一種鋰離子電池五元高熵氧化物納米薄膜及其制備和應(yīng)用。所用初始原料包括氧化鎂、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋅，其中氧化鎂、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋅的摩爾比為：2～2.5:1.5～2:2～3:1.5～2:1.5～2。首先將以上幾種氧化物高能球磨，均勻混合制成激光分子束外延沉積所用的靶材，通過激光器產(chǎn)生的脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦后入射至所述靶材上，沉積得到五元高熵氧化物薄膜。本發(fā)明制備的納米五元高熵氧化物薄膜用于鋰離子電池負(fù)極材料，具有優(yōu)異的循環(huán)特性，良好的穩(wěn)定性。該制備方法具有工藝簡單、成本低、無污染的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)中鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一類用于鋰離子電池的負(fù)極材料，具體為一種鋰離子電池五元高熵氧化物納米薄膜及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池目前在人們的工作、生活中有著廣泛的應(yīng)用，如移動電話，數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品以及電動汽車、大規(guī)模儲能設(shè)備等方面占有重要地位。影響鋰離子電池性能的一個重要因素就是其電極材料，目前商業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料一般采用石墨。石墨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在充放電循環(huán)中具有穩(wěn)定的可逆容量，但是石墨負(fù)極材料的理論比容量只有372mAh/g，難以滿足快速發(fā)展的電子設(shè)備對鋰電池越來越高的能量密度要求，因此發(fā)展具有更高比容量的新型負(fù)極材料是當(dāng)前鋰電池的研究熱點(diǎn)。此外，隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發(fā)與此相匹配的鋰離子電池，例如薄膜鋰離子電池等。

金屬氧化物(如ZnO、CuO、FeO、NiO、CoO等)由于具有較高的理論比容量備受矚目，同時研究人員發(fā)現(xiàn)納米材料尺寸越小，充放電時材料的相對體積變化也越小，可以有效的提高電池性能。高熵氧化物材料是最近幾年出現(xiàn)的一種新型陶瓷材料，具有多種金屬元素在原子水平均勻分散的特點(diǎn)。目前對高熵氧化物的研究主要集中在以下幾個方面：(1)高熵氧化物的異常介電常數(shù)現(xiàn)象，如文獻(xiàn)[Bérardan,D.,Franger,S.,Dragoe,D.,Meena,A.K.Dragoe,N.Phys.StatusSolidi RRL 2016,10,328–333]。(2)摻雜Li⁺、Na⁺、K⁺、Ga³⁺的高熵氧化物具有高離子電導(dǎo)率，如文獻(xiàn)[Bérardan,D.,Franger,S.,Meena,A.Dragoe,N.J.Mater.Chem.A 2016,4,9536–9541]。(3)Cu²⁺離子的含量比對高熵氧化物晶格畸變的影響，如文獻(xiàn)[Berardan,D.；Meena,A.K.；Franger,S.；Herrero,C.；Dragoe,N.J.Alloy.Comp.2017,704,693-700]。(4)運(yùn)用同步輻射X射線精細(xì)吸收譜研究高熵氧化物的晶體結(jié)構(gòu)，如文獻(xiàn)[Rost,C.M.；Rak,Z.；Brenner,D.W.；Maria,J.P.J.Am.Ceram.Soc.2017,100,2732-2738]。(5)三元至七元高熵稀土氧化物的合成方法,如文獻(xiàn)[Djenadic,R.；Sarkar,A.；Clemens,O.；Loho,C.；Botros,M.；Chakravadhanula,V.S.K.；Kubel,C.；Bhattacharya,S.S.；Gandhif,A.S.；Hahn,H.Mater.Res.Lett.,2017,5,102-109]。

為解決傳統(tǒng)單元金屬氧化物負(fù)極材料充放電比容量低、循環(huán)穩(wěn)定性差、嵌鋰脫鋰過程中體積膨脹等缺點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)合成了五元高熵氧化物，并采用激光分子束外延沉積技術(shù)制備了納米高熵氧化物薄膜。同時，研究了該納米高熵氧化物薄膜的電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種性能良好的鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法：本發(fā)明提出的鋰離子電池負(fù)極材料，是一種具有面心立方結(jié)構(gòu)的五元高熵氧化物(MgCoNiCuZn)O材料。經(jīng)研究表明，此類材料具有良好的電化學(xué)性能，可作為高性能鋰離子電池的負(fù)極材料。到目前為止還沒有關(guān)于高熵氧化物(MgCoNiCuZn)O材料用作鋰離子電池負(fù)極材料的報(bào)道。

本發(fā)明具體通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：