專利名稱：用于鋰離子電池的納米復(fù)合電極材料Li₃N/Si及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬鋰離子薄膜電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及可用于鋰離子電池的納米尺寸復(fù)合物電 極活性材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的發(fā)展，尤其是電子計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、移動(dòng)電話和電動(dòng)汽車等的應(yīng)用，對(duì) 電池的功率、容量、充電和放電速度、壽命、制造成本及環(huán)境友好程度，提出了越來越高 的要求，傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池等顯然已不能很好地滿足。鋰離子電池作為一種新型 的高級(jí)電源，其發(fā)展正呈現(xiàn)不可阻擋的勢(shì)頭，國際上對(duì)鋰離子電池的研究非常重視。為了 研制大容量的鋰離子電池，陽極材料的選擇尤為重要。目前，最常用的鋰離子電池陽極材 料為石墨，但其比容量只有350mAh/g左右，這使得整個(gè)電池的能量密度很難得到較大的 提高。尋找新的鋰離子陽極材料是該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電化學(xué)性能良好的用于鋰離子電池的新型復(fù)合電極材料 及其制備方法。
本發(fā)明提出的復(fù)合電極材料，是由脈沖激光沉積法制備獲得Li3N與IVA族元素Si的 納米復(fù)合薄膜電極材料，薄膜粒徑小于50nm，這樣可以大大降低反應(yīng)體系的電化學(xué)內(nèi)阻， 提高反應(yīng)體系中活性物質(zhì)的利用率，最終提高體系的電化學(xué)容量和循環(huán)性能。
上述用于鋰離子電池的復(fù)合電極材料，是由Li3N與IVA族元素Si均勻混合組成的納 米復(fù)合物。Li3N與Si的摩爾比為l:x， 2>x>0.5。其中Si的粒徑小于50nrn。 Li3N為干燥 的氮化鋰，Li3N的粒徑小于50nm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于直接利用Li3N與Si的納米混合物形成具有電化學(xué)活性的電極材料， 該材料不僅在充放電時(shí)本身可以提供鋰源，而且具有良好的充放電循環(huán)性能和較高的比容 量?；旌衔锏闹苽溥^程不需要傳統(tǒng)電極材料的高溫反應(yīng)或高能球磨過程，僅需要采取一定 的方法使復(fù)合物達(dá)到納米級(jí)(50nm)以下的混合即可。因此具有制備過程簡(jiǎn)單、電化學(xué)性 能優(yōu)良的顯著優(yōu)點(diǎn)。
脈沖激光沉積法制備上述復(fù)合電極活性材料的具體步驟如下:將摩爾比為l:x (2>x>0.5) 的Li3N與Si均勻混合后壓制成靶，通過脈沖激光沉積的方法制備成納米混合物電極薄膜 材料。制備條件為基片選用不銹鋼片，基片與耙的距離為25—45mm;沉積氣氛為高純 氮，保持壓強(qiáng)在5-20Pa;沉積溫度為常溫；激光為由Nd:YAG激光器產(chǎn)生的基頻經(jīng)三倍頻產(chǎn)生的355nm脈沖激光，脈沖頻率10Hz，脈沖寬度10ns，能量密度為1.5-2.5J/cm2;沉積
時(shí)間lh-2h。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。 實(shí)施例
將摩爾比為1:1的Li3N與Si粉充分混合；然后將混合物粉壓制成脈沖激光沉積的靶
材料，通過脈沖激光沉積法制備成復(fù)合納米混合物電極薄膜材料。制備條件基片為不銹
鋼片，基片與靶的距離為30mm;沉積過程在高純氮中進(jìn)行，保持壓強(qiáng)在10Pa;沉積溫度 為室溫；激光波長為355nm，脈沖頻率10Hz,脈沖寬度10ns，能量密度為2J/cm2;沉積時(shí) 間為1小時(shí)。
由SEM表明，沉積薄膜中顆粒粒徑約為50nm。表明沉積的薄膜為Li3N/Si納米復(fù)合物 材料構(gòu)成。由TEM電子衍射測(cè)定表明，沉積薄膜為Li3N/Si納米混合物，其中Li3N為六 方結(jié)構(gòu)，空間群都為P63/mmc,Si為面心立方結(jié)構(gòu)，空間群為Fd3m。將該薄膜作為工作電 極，以高純鋰片作為對(duì)電極組裝成模擬電池。其中電解液為1M LiPF6+EC+DMC(EC與DMC 的體積比為1/1)，電池裝配在充氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電在Land電池測(cè)試系統(tǒng) 上進(jìn)行?；旌衔锉∧る姌O表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能。電池在2V到0.5V之間有明顯的放 電平臺(tái)，可逆容量可達(dá)650mAh/g (附圖
)。
權(quán)利要求
1、用于鋰離子電池的納米復(fù)合電極材料Li3N/Si，其特征是由Li3N和IVA族元素Si均勻混合而制備獲得納米薄膜材料，Li3N與Si的摩爾比為1∶x，其中2＞x＞0.5，Li3N和Si的粒徑小于50nm。
2、 一種如權(quán)利要求1所述的用于鋰離子電池的納米復(fù)合電極材料Li3N/Si的制備方法， 其特征在于具體步驟如下將摩爾比為l:x ， 2>x>0.5，的Li3N與Si均勻混合后壓制成靶， 通過脈沖激光沉積的方法制備成納米混合物電極薄膜材料；制備條件為基片選用不銹鋼 片，基片與靶的距離為25—45mm;沉積氣氛為高純氮，保持壓強(qiáng)在5-20Pa;沉積溫度為 常溫；激光為由Nd: YAG激光器產(chǎn)生的基頻經(jīng)三倍頻產(chǎn)生的355nm脈沖激光，脈沖頻率 10Hz，脈沖寬度IOns，能量密度為1.5-2.5J/cm2;沉積時(shí)間lh-2h。
3、 一種納米復(fù)合Li3N/Si薄膜材料作為鋰電池電極活性材料的應(yīng)用，該薄膜材料中， Li3N與Si的摩爾比為1: x， 2>x>0.5， Li3N和Si的粒徑小于50nrn。
全文摘要
本發(fā)明屬鋰離子薄膜電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于鋰離子電池的納米復(fù)合電極材料Li₃N/Si及其制備方法。該材料是由Li₃N與IVA族元素Si組成的納米薄膜，可通過脈沖激光沉積法制備獲得，Li₃N/Si納米復(fù)合物粒徑小于50nm。薄膜電極的比容量隨薄膜中Li₃N和Si的配比不同在400-650mAh/g范圍內(nèi)變化，在反復(fù)充放電過程中表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能。該種薄膜電極材料比容量高，循環(huán)性能好，制備方法簡(jiǎn)單，適用于薄膜鋰離子電池。
文檔編號(hào)H01M4/36GK101222041SQ200710172620
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者傅正文, 吳曉京, 周永寧 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)