專利名稱：一種鋰離子電池陽極薄膜材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鋰離子電池的陽極材料及其制備方法。
背景技術：
隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發與此相匹配的小型化長壽命電源。由于全固態可充放鋰離子薄膜電池與其它化學電池相比，它的比容量最大，具有超長的充放電壽命，而且安全性能好，全固態可充放鋰離子薄膜電池的研制非常重要。為了提高全固態薄膜鋰離子電池的性能，關鍵技術是在尋找比容量高，循環壽命長，不可逆容量損失少的陽極和陰極材料。尋找性能更好的新型的陽極薄膜材料是本發明的主要目的。
發明內容
本發明的目的在于提出一種比容量高、循環壽命長的鋰離子薄膜電池的陽極材料及其制備方法。
本發明中采用直流磁控共濺射沉積法制備了Cr1-xFexN(0＜x＜1，優選0.1≤x≤0.9)過渡金屬氮化物薄膜材料。氮化物具有化學穩定性好等優點。例如已有報道Sn3N2，Zn3N2，Cu3N，Ge3N4，Co3N，Fe3N，Ni3N，Mn4N等薄膜材料。但沒有多元氮化物過渡金屬氮化物薄膜的電化學性能的報道。
本發明首先發現這些薄膜材料具有良好的電化學性能，比容量大于100mAh/g，而循環50次后基本無可逆容量損失，具有非常好的可逆循環性，顯示了比目前使用在全固態薄膜鋰離子電池的Sn3N2等陽極材料的優越性，可能應用于鋰離子電池。
本發明制備Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的方法是采用反應性直流磁控沉積法。濺射腔由一個渦輪分子泵和一個機械泵抽真空直到小于0.5mPa，將金屬鉻粉末和金屬鐵粉末混合之后壓制為共濺射靶。反應氣體為氮氣，沉積薄膜過程中的氣體壓強保持在0.7Pa-5.0Pa。濺射電源的功率為30W-200W，并且保持沉積片和靶之間的距離為5厘米-10厘米，在基片上沉積薄膜。基片溫度為25℃-400℃，沉積時間為5分鐘到5小時。
本發明中，沉積在基片上的Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物為黑色。
本發明中，Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜電極的電化學性能測試采用由三電極組成的電池系統，其中Cr1-xFexN過渡金屬氮化物薄膜用作工作電極，高純鋰片分別用作為對電極和參比電極。電解液為1M LiPF6+EC+DMC(V/V＝1/1)。電池裝配在充氬氣的干燥箱內進行。電池的充放電試驗在藍電(Land)電池測試系統上進行。
本發明中由直流磁控反應性沉積法在基片上制得的Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜電極均具有充放電性能。以Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜作為陽極，與金屬鋰組成電池后，在電壓范圍3.5-0.01V和電流密度28μA/cm2時，所有薄膜電極比容量保持在1000mAh/g以上。上述性能表明在基片上制得的Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜電極是一種新型的陽極材料，可以應用于薄膜鋰離子電池。
圖1為Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的XRD譜圖。
圖2為Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的充放電曲線。
圖3為Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜的掃描電鏡照片。
具體實施例方式 實施例1 在不銹鋼片和玻璃片上的Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜采用反應性直流磁控沉積法制備。濺射腔由一個渦輪分子泵和一個機械泵抽真空直到小于0.5mPa，采用金屬鉻粉末和金屬鐵粉末按摩爾比3∶1進行混合之后壓制為共濺射靶。反應氣體為氮氣，沉積薄膜過程中的氣體壓強保持在1Pa。濺射電源的功率為40瓦，并且保持沉積片和靶之間的距離為5厘米。先濺射10分鐘以除去靶上的污染，Cr1-xFexN過渡金屬氮化物薄膜分別沉積在不銹鋼片和玻璃上。基片溫度為200℃，沉積時間為1小時，直流放電時，環境N2氣體呈紫紅色。
沉積在基片上的Cr1-xFexN(0＜x＜1)過渡金屬氮化物薄膜為黑色。由X-射線衍射測定表明沉積的過渡金屬氮化物薄膜為立方晶形結構。通過X射線能量分散譜技術分析該薄膜中鐵和鉻的元素比例后，可以得知本實例中Cr1-xFexN的x＝0.17，薄膜組成為Cr0.83Fe0.17N。Cr0.83Fe0.17N過渡金屬氮化物薄膜電極的電化學性能測試結果如下 1.Cr1-xFexN(x＝0.17)過渡金屬氮化物薄膜電極在28μA/cm2充放電速率下可進行充放電循環。在不同電壓范圍0.01-3.5V，可逆放電容量均可達1000mAh/g，充放電循環近50次容量基本無可逆容量衰減。
2.Cr1-xFexN(x＝0.17)過渡金屬氮化物薄膜電極的循環伏安測試顯示在第一次放電過程中，能觀察到2個放電電位峰。第二次循環后，能觀察到2個放電電位峰。所有充電中可以觀察到2個充電峰。
因此，在納米Cr1-xFexN(x＝0.17)過渡金屬氮化物薄膜電極可用作鋰離子電池的陽極材料。
權利要求
1.一種鋰離子電池陽極薄膜材料，其特征在于為過渡金屬氮化物Cr1-xFexN，0＜x＜1，薄膜的粒子直徑分別為150-200nm，均勻分布。
2.一種如權利要求1所述的鋰離子電池陽極薄膜材料的制備方法，其特征在于采用直流磁控共濺射反應性沉積法，具體步驟為濺射腔由一個渦輪分子泵和一個機械泵抽真空直到小于0.5mPa，采用金屬鉻粉末和金屬鐵粉末混合后壓制為共濺射靶；反應氣體為氮氣，沉積薄膜過程中的氣體壓強保持在0.7Pa～5Pa，濺射電源的功率為30瓦-200瓦，并且保持沉積基片和靶之間的距離為5厘米-10厘米，基片溫度為25℃-400℃，薄膜沉積時間為5分鐘到5小時，即得到過渡金屬氮化物薄膜Cr1-xFexN，0＜x＜1。
3.如權利要求1所述的鋰離子電池陽極薄膜材料Cr1-xFexN，0＜x＜1在鋰離子電池中的應用。
全文摘要
本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鋰離子電池陽極薄膜材料及其制備方法。該陽極薄膜材料為納米過渡金屬氮化物Cr1-xFexN(0＜x＜1)。該納米過渡金屬氮化物薄膜是由直流磁控共濺射反應性沉積法獲得，反應氣體為氮氣，沉積薄膜的氣體壓強為0.7～5.0Pa，濺射電流功率為30-200W，基片溫度為25℃-400℃。薄膜的粒子尺寸為150～200nm，立方晶形結構。以上述過渡金屬氮化物薄膜作為陽極材料與金屬鋰組成電池后，均存在多步放電平臺。在電壓范圍3.5-0.1V和電流密度28μA/cm2時，上述薄膜電極具有良好的充放電循環可逆性，其比容量在1000mAh/g以上，經50次循環后無明顯的衰減，其性能優于目前使用的各種薄膜陽極材料。
文檔編號H01M4/58GK101197443SQ20071017182
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月6日 優先權日2007年12月6日
發明者傅正文, 乾 孫 申請人:復旦大學