专利名称：一种用于锂离子电池的负极材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池的负极材料及其制备方法。
背景技术：
电子技术的不断发展推动各种电子产品向小型化发展，如便携电话、微型相机、笔记本电脑等的推广普及。电子产品的小型化发展必须伴随着电源的小型化。传统铅酸电池容量不高，因此，具有体积小、重量轻、工作电位高、能量密度大的锂离子电池备受关注。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，商品化的锂离子阳极材料是石墨，其理论容量为372 mAh/g，这使得整个锂离子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变得尤为迫切。本发明提出的脉冲激光沉积法制备的纳米三氧化二铋材料，在嵌锂过程中能有12 个Li离子与之发生反应，因此是一种具有较高容量的电极材料。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能进一步提高锂离子电池能量密度的锂离子电池负极材料及其制备方法。本发明提出的锂离子电池的负极活性材料，是一种纳米三氧化二铋薄膜，该纳米三氧化二铋具有型斜方结构。经研究表明，此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。迄今为止，没有有关三氧化二铋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三氧化二铋为薄膜形式，其薄膜厚度为 0.2-0.5 μπι。本发明还提出三氧化二铋纳米薄膜材料的制备方法。具体采用脉冲激光沉积法， 其步骤如下将三氧化二铋粉末研磨后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，薄膜的沉积在不锈钢反应腔内进行，采用不锈钢作为基片。先将不锈钢腔体抽至1-0. 1 或更高真空度，气压由电容薄膜压力计测定。由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064 nm基频经三倍频后获得 355 nm脉冲激光，重复频率10 Hz，脉宽10 ns，能量密度为2_5 J/cm2。激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶和基片的距离为25-50 mm，在室温下沉积0. 2-1小时。本发明提出的三氧化二铋纳米薄膜材料可直接制成锂离子电池薄膜电极。电池的充放电实验在蓝电(Land)电池测试系统上进行。根据三氧化二铋的充放电行为，结合容量计算公式n*96485*103/ (M*3600)，其中，η为电子数，M为物质的摩尔分子质量，得出纳米三氧化二铋的放电容量为690 mAh/g，是石墨负极材料的1. 855倍。本发明的优点在于该纳米材料容量较高，该材料的制备过程不需要传统电极材料的高高温反应或高能球磨，因此制备方法简单。
图1为三氧化二铋及其电极的XRD图谱。其中，(a) Bi2O3粉末；(b) Bi2O3薄膜； (c)放电至0 V;(d)充3.0 V (*是不锈钢基片的峰)。图2为三氧化二铋薄膜扫描电镜图。其中，(a)初始薄膜，(b)放电至0 V，(c)充电至3. 0 V。
具体实施例方式本发明中，三氧化二铋粉末研磨后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，颜色为浅黄色，薄膜的沉积在不锈钢反应腔内进行。采用不锈钢作为基片。纳米三氧化二铋薄膜的厚度与沉积的时间、靶与基片的距离以及脉冲激光能量能量有关。沉积时间长，靶与基片距离适中，脉冲激光能量高，沉积速率快，得到的薄膜厚度大。实施例1
靶和基片的距离为40 mm。由Nd: YAG激光器产生的基频经三倍频后获得355 nm脉冲激光。激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，能量密度为4 J/cm2，在室温下沉积0.5小时， 纳米三氧化铋薄膜厚度为50 μπι。实施例2
靶和基片的距离为50 mm。由Nd: YAG激光器产生的基频经三倍频后获得355 nm脉冲激光。激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，能量密度为3 J/cm2，在室温下沉积0.5小时， 纳米三氧化铋薄膜厚度为20 μπι。实施例3
本发明提出的三氧化二铋纳米薄膜材料可直接制成锂离子电池薄膜电极。电化学性能测试采用三电极组成的电池系统。其中，三氧化二铋纳米薄膜用作工作电极，高纯锂片分别用作为对电极和参比电极。电解液为IM LiPF6 + EC + DMC (V/V=l/1)。电池的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。第一次放电反应平台出现在0.62 V (相对于Li+/Li)，充电反应平台出现在1.0 V。本发明中，三氧化二铋纳米薄膜以及反应形成物质的晶体结构由X-射线衍射技术确定。X-射线衍射技术显示(附图1)，激光脉冲沉积制备的Bi2O3薄膜为a-型的斜方结构。放电至0 V的X射线衍射图谱中，Bi2O3的衍射峰全部消失(附图1 (c))，在嵌锂过程中，新生成的谱峰的衍射角度对应于Li3Bi晶体以及由于反应不彻底存在少量的金属铋。在充电的过程中，随着反应的进行，在3 V时三氧化二铋所对应的衍射峰又出现。这表明，三氧化二铋能可逆的发生脱嵌锂反应。扫描电镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)是一种直接观察样品表面形貌的手段。在高放大倍数的情况下，扫描电镜可以观察组成物质的颗粒的大小，是否由纳米颗粒组成。由SEM表明(附图2)，沉积薄膜是由粒径约为10 20 nm或更小的颗粒组成，表明沉积形成的薄膜是纳米材料。三氧化二铋薄膜电极的SEM结果显示充电电前后Bi2O3电极表面形貌产生巨大变化。初始薄膜表面平滑，出现的部分大颗粒是由脉冲激光沉积技术本身无法避免的。锂化后薄膜表面出现了大的棒状颗粒，这可能是由于反应后粒子的集聚造成的。而充电脱锂后，电极表面又恢复到初始状态。这就很好的解释了这种负极材料性能优良的原因。
权利要求
1.一种用于锂离子电池的电极负极材料，其特征在于为纳米三氧化二铋薄膜，该薄膜厚度为 0.2-0. 5 μ m。
2.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的电极负极材料的制备方法，其特征在于采用脉冲激光沉积法，具体步骤如下将三氧化二铋粉末研磨后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，薄膜的沉积在不锈钢反应腔内进行，采用不锈钢作为基片；先将不锈钢腔体抽至 1-0. IPa的真空度；由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064 nm基频经三倍频后获得355 nm脉冲激光，重复频率10 Hz，脉宽10 ns，能量密度为2-5 J/cm2 ；激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶和基片的距离为25-50 mm，在室温下沉积0. 2-1小时。
全文摘要
本发明属于电化学技术领域，具体为一种用作锂离子电池的电极负极材料及其制备方法。本发明提出的电极负极材料为三氧化二铋纳米薄膜，薄膜厚度为0.2-0.5μm。可采用脉冲激光沉积技术制备三氧化二铋纳米薄膜。该薄膜制成的电极，其理论容量为690mAh/g，是石墨负极材料理论容量的1.855倍。
文档编号H01M4/1391GK102157723SQ20111006338
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者丁井井, 傅正文 申请人:复旦大学