专利名称：一种用于锂离子电池的负极材料V<sub>2</sub>ON及其制备方法
技术领域：
本发明属电化学技术领域，具体涉及可用作锂离子电池的负极活性材料及其制备 方法。本发明结合直流反应溅射沉积和后退火工艺成功制备了 v20N薄膜，它的主要特点是 V20N粒径在10(T200nm，厚度在100-700nm，制备方法简单。这种薄膜作为锂离子电池的电 极材料具有良好的电化学性能。
背景技术：
随着近年来移动电子设备的飞速发展，与电子产品相匹配的小型化长寿命电源的 研究越来越受到重视，锂离子电池由于其体积小，重量轻，工作电压高，能量密度大而备受 关注。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 池负极材料为石墨，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。寻找新的锂离子负极材料变得非常迫切。本发明提出结合直流反应溅射沉积和后退火工艺制备的V20N薄膜负极材料，是一 种具有双阴离子结构的新型负极材料，具有良好充放电性能的高容量电极材料。
发明内容
本发明的目的在于提出一种冲放电性能好、电容量高的用于锂离子电池的负极材 料及其制备方法。本发明提出的用于锂离子电池的负极材料氧氮化钒(V20N)负极材料，是一种由晶 粒尺寸为100-200nm的颗粒组成的氧氮化钒(V20N)薄膜材料，薄膜厚度在100-700nm。经 研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能锂离子电池的负极材料。目前为 止没有关于这种氧氮化钒(V20N)材料用作锂离子电池负极材料的报道。本发明提出的作为锂离子电池负极材料的氧氮化钒(V20N)材料为薄膜形式。本发明提出用于锂离子电池的氧氮化钒(V20N)负极材料的制备方法，具体步骤如 下用高纯金属V作为靶材，先采用直流反应溅射法在N2气氛中沉积得到VXN(1 < x < 2)。靶材和基片之间的距离为5 8cm，溅射功率为40 60W，溅射时保持气压在1CT1 lPa，沉积时间为10 40min。然后将沉积好的VN样品置入管式炉中进行退火处理，退火温 度450—550°C，退火时间5 30min。本发明中，氧氮化钒(V20N)薄膜的晶体结构由透射电子显微镜(JE0L 2010)确 定。选区电子衍射(SAED)表明由该方法制得的氧氮化钒薄膜为面心立方结构，空间群为 Fm3m0本发明中，氧氮化钒(V2ON)薄膜可直接制成锂离子电池薄膜电极。本发明中，氧氮化钒(V2ON)薄膜的电化学性能测试采用由三电极组成的薄膜电池 系统。其中，氧氮化钒薄膜用作工作电极，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)。薄膜电池装配在充氩气的干燥箱内进行。薄膜电池的充放电实验在Land电池测试系统上进行。本发明中，由直流反应溅射结合后退火工艺在不锈钢片，钼片等多种基片上制得 的氧氮化钒(V20N)薄膜电极均具有充放电性能，在电压范围0. 01 4. 0V和电流密度A/ cm2时，放电反应的平台出现在0. 7V(相对于Li/Li+)，第二次放电过程与第一次放电过程相 比，不可逆放电容量损失为12. 9%。第二周以后的循环过程有良好的可逆性，平均每次循环 容量衰减仅为。上述性能表明，由直流反应溅射结合后退火工艺制备的氧氮化钒(V20N)薄膜是一 种新型的负极材料，可应用于锂离子电池。
图1为V20N薄膜的在电流密度为2 u A/cm2时的充放电曲线。图2为V20N薄膜前50次循环的比容量变化图。
具体实施例方式下面通过实施例进一步描述本发明。用高纯金属V(99. 99% )作为靶材，先采用直流反应溅射法在N2气氛中沉积得到 VXN(1 < x < 2)。靶材和基片之间的距离为7cm，溅射功率为50W，溅射时保持气压在0. 8Pa, 沉积时间为20min。然后将沉积好的VN样品置入管式炉中进行500°C退火lOmin，冷却。扫描电子显微镜表征结果表明，薄膜中的颗粒粒径在100 200nm，薄膜厚度约为 400nm。由电子衍射测定表明，该薄膜晶体结构为面心立方，空间群为Fm3m。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。电池放电平台在0.7V左右，可 逆容量达到900mAh/g左右(见图1)，且容量衰减很小(见图2)。
权利要求
一种用于锂离子电池的负极材料，其特征在于为一种氧氮化钒纳米薄膜，薄膜粒径在100-200nm之间，厚度在100-700nm之间。
2.一种如权利要求1所述的锂离子电池的负极材料的制备方法，其特征在于具体步 骤为用高纯金属V作为靶材，采用直流反应溅射法在N2气氛中沉积得到VXN，1 < χ < 2， 靶材和基片距离为5 8cm，溅射功率为40 60W，溅射时保持气压在ICT1 lPa，沉积 时间为10 40min ；然后将沉积得到的VxN样品置入管式炉中进行退火处理，退火温度 450—550°C，退火时间 5 30min。
全文摘要
本发明属于锂离子薄膜电池技术领域，具体为一种用于锂离子电池的V2ON电极材料及其制备方法。本发明结合直流反应溅射和后退火工艺制备V2ON薄膜，薄膜的颗粒尺寸为100-200nm，厚度为100-700nm。该薄膜作为电极材料，可逆比容量达900mAh/g，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H01M4/1397GK101872855SQ20101020234
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者傅正文, 周永宁 申请人:复旦大学