专利名称：用于锂离子电池的纳米复合电极材料Li<sub>3</sub>N/Si及其制备方法
技术领域：
本发明属锂离子薄膜电池技术领域，具体涉及可用于锂离子电池的纳米尺寸复合物电 极活性材料及其制备方法。
背景技术：
随着社会的发展，尤其是电子计算机、摄像机、移动电话和电动汽车等的应用，对 电池的功率、容量、充电和放电速度、寿命、制造成本及环境友好程度，提出了越来越高 的要求，传统的铅酸电池、镍镉电池等显然已不能很好地满足。锂离子电池作为一种新型 的高级电源，其发展正呈现不可阻挡的势头，国际上对锂离子电池的研究非常重视。为了 研制大容量的锂离子电池，阳极材料的选择尤为重要。目前，最常用的锂离子电池阳极材 料为石墨，但其比容量只有350mAh/g左右，这使得整个电池的能量密度很难得到较大的 提高。寻找新的锂离子阳极材料是该领域重点关注的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电化学性能良好的用于锂离子电池的新型复合电极材料 及其制备方法。
本发明提出的复合电极材料，是由脉冲激光沉积法制备获得Li3N与IVA族元素Si的 纳米复合薄膜电极材料，薄膜粒径小于50nm，这样可以大大降低反应体系的电化学内阻， 提高反应体系中活性物质的利用率，最终提高体系的电化学容量和循环性能。
上述用于锂离子电池的复合电极材料，是由Li3N与IVA族元素Si均匀混合组成的纳 米复合物。Li3N与Si的摩尔比为l:x， 2>x>0.5。其中Si的粒径小于50nrn。 Li3N为干燥 的氮化锂，Li3N的粒径小于50nm。
本发明的优点在于直接利用Li3N与Si的纳米混合物形成具有电化学活性的电极材料， 该材料不仅在充放电时本身可以提供锂源，而且具有良好的充放电循环性能和较高的比容 量。混合物的制备过程不需要传统电极材料的高温反应或高能球磨过程，仅需要采取一定 的方法使复合物达到纳米级(50nm)以下的混合即可。因此具有制备过程简单、电化学性 能优良的显著优点。
脉冲激光沉积法制备上述复合电极活性材料的具体步骤如下:将摩尔比为l:x (2>x>0.5) 的Li3N与Si均匀混合后压制成靶，通过脉冲激光沉积的方法制备成纳米混合物电极薄膜 材料。制备条件为基片选用不锈钢片，基片与耙的距离为25—45mm;沉积气氛为高纯 氮，保持压强在5-20Pa;沉积温度为常温；激光为由Nd:YAG激光器产生的基频经三倍频产生的355nm脉冲激光，脉冲频率10Hz，脉冲宽度10ns，能量密度为1.5-2.5J/cm2;沉积
时间lh-2h。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步描述本发明。 实施例
将摩尔比为1:1的Li3N与Si粉充分混合；然后将混合物粉压制成脉冲激光沉积的靶
材料，通过脉冲激光沉积法制备成复合纳米混合物电极薄膜材料。制备条件基片为不锈
钢片，基片与靶的距离为30mm;沉积过程在高纯氮中进行，保持压强在10Pa;沉积温度 为室温；激光波长为355nm，脉冲频率10Hz,脉冲宽度10ns，能量密度为2J/cm2;沉积时 间为1小时。
由SEM表明，沉积薄膜中颗粒粒径约为50nm。表明沉积的薄膜为Li3N/Si纳米复合物 材料构成。由TEM电子衍射测定表明，沉积薄膜为Li3N/Si纳米混合物，其中Li3N为六 方结构，空间群都为P63/mmc,Si为面心立方结构，空间群为Fd3m。将该薄膜作为工作电 极，以高纯锂片作为对电极组装成模拟电池。其中电解液为1M LiPF6+EC+DMC(EC与DMC 的体积比为1/1)，电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电在Land电池测试系统 上进行。混合物薄膜电极表现出了良好的电化学性能。电池在2V到0.5V之间有明显的放 电平台，可逆容量可达650mAh/g (附图
)。
权利要求
1、用于锂离子电池的纳米复合电极材料Li3N/Si，其特征是由Li3N和IVA族元素Si均匀混合而制备获得纳米薄膜材料，Li3N与Si的摩尔比为1∶x，其中2＞x＞0.5，Li3N和Si的粒径小于50nm。
2、 一种如权利要求1所述的用于锂离子电池的纳米复合电极材料Li3N/Si的制备方法， 其特征在于具体步骤如下将摩尔比为l:x ， 2>x>0.5，的Li3N与Si均匀混合后压制成靶， 通过脉冲激光沉积的方法制备成纳米混合物电极薄膜材料；制备条件为基片选用不锈钢 片，基片与靶的距离为25—45mm;沉积气氛为高纯氮，保持压强在5-20Pa;沉积温度为 常温；激光为由Nd: YAG激光器产生的基频经三倍频产生的355nm脉冲激光，脉冲频率 10Hz，脉冲宽度IOns，能量密度为1.5-2.5J/cm2;沉积时间lh-2h。
3、 一种纳米复合Li3N/Si薄膜材料作为锂电池电极活性材料的应用，该薄膜材料中， Li3N与Si的摩尔比为1: x， 2>x>0.5， Li3N和Si的粒径小于50nrn。
全文摘要
本发明属锂离子薄膜电池技术领域，具体为一种用于锂离子电池的纳米复合电极材料Li<sub>3</sub>N/Si及其制备方法。该材料是由Li<sub>3</sub>N与IVA族元素Si组成的纳米薄膜，可通过脉冲激光沉积法制备获得，Li<sub>3</sub>N/Si纳米复合物粒径小于50nm。薄膜电极的比容量随薄膜中Li<sub>3</sub>N和Si的配比不同在400-650mAh/g范围内变化，在反复充放电过程中表现出优良的电化学性能。该种薄膜电极材料比容量高，循环性能好，制备方法简单，适用于薄膜锂离子电池。
文档编号H01M4/36GK101222041SQ200710172620
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者傅正文, 吴晓京, 周永宁 申请人:复旦大学