专利名称：一种用于锂电池的硒化亚铁阴极材料及其制备方法
技术领域：
本发明属电化学技术领域，具体涉及一类用于锂电池的阴极材料及其制备方法。
背景技术：
二次锂电池是笔记本电脑、照相机、手机以及其它通讯器材的重要电源，而且有可能作为绿色能源用于汽车和其它交通工具。为了进一步提高锂电池的性能，人们正在研究、寻找性能更好的新型的阴极和阳极材料。此外，随着微电子器件的小型化，迫切要求开发与此相匹配的锂电池，例如薄膜锂电池等。
发明内容
本发明的目的在于提出一类性能良好的锂电池阴极材料及其制备方法。
本发明提出的锂电池阴极材料是一种具有四方结构的硒化亚铁(FeSe)材料。经研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能锂电池的阴极材料。目前为止没有关于硒化亚铁(FeSe)材料用作锂电池阴极材料的报道。
本发明提出的作为锂电池阴极材料的硒化亚铁(FeSe)为薄膜形式，由纳米粒子组成，粒径为40-100nm，薄膜材料的厚度为0.4-1μm。
本发明还提出了前述锂电池阴极材料的制备方法，具体介绍如下作为锂电池阴极材料的硒化亚铁(FeSe)薄膜可采用反应性脉冲激光沉积法制备，具体步骤为将铁粉和硒粉研磨混合后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，其中硒粉的物质的量为铁粉的1-3倍，由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶子和基片的距离为25-50mm，在氩气气氛中在基片上沉积得到硒化亚铁(FeSe)薄膜，基片可采用不锈钢片、铂片或镀金单晶硅片，基片温度为150-250℃。薄膜的沉积时间由薄膜厚度要求确定，一般为0.3-1.0h。薄膜厚度可由扫描电镜测定，薄膜的重量根据电子天平称量实验前后基片重量作差得到。
本发明中，硒化亚铁(FeSe)薄膜的晶体结构由X-射线衍射仪(Bruker D8 Advance)确定。X-射线衍射图谱表明由脉冲激光反应沉积法制得的硒化亚铁(FeSe)薄膜为多晶四方结构。由扫描电镜(Philips XL30)测定表明，由脉冲激光反应沉积法制得的硒化亚铁(FeSe)薄膜由纳米粒子组成，它们的粒径为40-100nm，而且粒子分布均匀。
本发明中，硒化亚铁(FeSe)薄膜可直接制成锂电池薄膜电极。
本发明中，硒化亚铁(FeSe)薄膜电极的电化学性能测试采用由三电极组成的电池系统，其中，硒化亚铁(FeSe)薄膜用作工作电极，高纯锂片分别用作为对电极和参比电极。电解液为1M LiPF6+EC+DMC(V/V＝1/1)。电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电实验在蓝电(Land)电池测试系统上进行。
本发明中，由脉冲激光反应性沉积法在不锈钢片、铂片等金属基片上制得的硒化亚铁(FeSe)薄膜电极均具有充放电性能，放电平台出现在1.62和1.45V(相对于Li+/Li)，第一次不可逆放电容量损失小于10％，在电压范围1.0-3.0V和电流密度5μA/cm2时，硒化亚铁(FeSe)薄膜电极的比容量在前100次循环内保持在355～402mAh/g。
上述性能表明，硒化亚铁(FeSe)是一类新型的阴极材料，可应用于锂电池。
图1为硒化亚铁(FeSe)薄膜的XRD谱图。图中星号表示不锈钢基片的衍射峰。
具体实施例方式
下面通过具体实施例进一步介绍本发明。
实施例1采用反应性脉冲激光沉积法制备硒化亚铁(FeSe)薄膜，颜色为灰色。制备时，混合靶中，硒粉的物质的量是铁粉的1.5倍，采用不锈钢片作为基片，基片与靶的距离为40mm，基片温度为200℃，由NdYAG激光器产生的基频经三倍频产生355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到铁粉与硒粉的混合靶上。能量密度为2J·cm-2，沉积时间为0.5小时。
X-射线衍射测定表明沉积的薄膜为多晶四方结构的硒化亚铁(FeSe)，含少量的Fe7Se8和FeSe2(附图1)。由扫描电镜照片测定表明由脉冲激光反应性沉积制得的硒化亚铁(FeSe)薄膜表面为纳米颗粒。
对不锈钢基片上的硒化亚铁(FeSe)薄膜电极的电化学性能测试结果如下硒化亚铁(FeSe)薄膜电极可在5μA/cm2充放电速率下进行充放电循环。在电压范围1.0-3.0V内，第一次放电容量可达388mAh/g，可逆容量为360mAh/g，经过15次循环后放电容量趋于稳定，循环100次容量保持在396mAh/g。
因此，在不锈钢片上沉积的硒化亚铁(FeSe)薄膜可用作锂电池的阴极材料。
实际试验表明，在上述制备过程，在前面所述的硒粉和铁粉的量的比例范围内和所述的制备条件下，均能获得多晶四方结构的硒化亚铁薄膜材料，并具有所述电化学性能，都可以作为锂电池的阴极材料。这里不再一一举例。
权利要求
1.一种锂电池阴极材料，其特征在于为一种具有四方结构的硒化亚铁材料，该类材料为薄膜形式，由纳米粒子组成，粒径为40-100nm，薄膜的厚度为0.4-1μm。
2.一种如权利要求1所述的锂电池阴极材料的制备方法，其特征在于硒化亚铁薄膜材料采用反应性脉冲激光沉积法制备，具体步骤为将铁粉和硒粉研磨混合后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，其中硒粉的物质的量为铁粉的1-3倍，由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶子和基片的距离为25-45mm，在氩气气氛中在基片上沉积得到硒化亚铁薄膜，基片采用不锈钢片、铂片或镀金单晶硅片，基片温度为150-250℃。
全文摘要
本发明属电化学技术领域，具体为一种锂电池的阴极材料及其制备方法，该村料为一种硒化亚铁(FeSe)薄膜，通过反应性脉冲激光沉积法制备获得。该薄膜制成的电极，具有良好的充放电循环可逆性，由硒化亚铁(FeSe)薄膜制成的电极的比容量保持在400mAh/g左右。电极经100次循环后容量没有无明显的衰减。硒化亚铁(FeSe)电极材料化学稳定性好、比容量高、制备方法简单，适用于锂电池。
文档编号C01B19/04GK1949564SQ20061011759
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者薛明喆, 傅正文 申请人:复旦大学