專利名稱：γ-Fe₂O₃鋰離子電池陽極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池陽極材料的制備方法，特別涉及一種Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
自1859年Gaston Plante提出鉛-酸電池概念以來,化學(xué)電源界一直在探索新的高比能量、循環(huán)壽命長的二次電池。1990年日本SONY公司率先研制成功并實現(xiàn)商品化的鋰離子電池，在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面展示了廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大經(jīng)濟效益，迅速成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點。 開發(fā)鋰離子電池的關(guān)鍵之一是尋找合適的陽極材料，使電池具有足夠高的鋰嵌入量和很好的鋰脫嵌可逆性，以保證電池的高電壓、大容量和長循環(huán)壽命。碳材料因具有較高的比容量已在商業(yè)鋰離子電池中得到應(yīng)用，并展示出良好的電化學(xué)行為，但仍然存在理論容量低的缺陷。自從P. PoiZOt等報道了以其他過渡金屬氧化物如FeO、CoO, MoO, Cu2O等作為鋰離子二次電池陽極材料的電化學(xué)性能以來，其他過渡金屬氧化物和鐵氧體例如ZnFe2O4, CoFe2O4等也逐漸成為研究的熱點，而且這些材料表現(xiàn)出較高的質(zhì)量比容量。然而鋰離子電池能否成功應(yīng)用，關(guān)鍵在于能可逆地嵌入脫嵌鋰離子的陽極材料的制備。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，制備的
Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料能夠?qū)崿F(xiàn)電池的高容量充放電,并且循環(huán)壽命長。本發(fā)明的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，包括以下步驟
1)將Y-Fe2O3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的Y-Fe2O3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入惰性氣體，利用磁控濺射法在銅片上沉積Y-Fe2O3薄膜；
5)將沉積了￥46203薄膜的銅片在真空條件下300飛001退火，冷卻后得到Y(jié)-Fe2O3鋰離子電池陽極材料。進一步，所述步驟3)中，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)。進一步，所述步驟4)中，惰性氣體為氬氣，氣壓為1. OPa，沉積速率為O.1 nm/s，沉積厚度為350nm。進一步，所述步驟5)中，真空度為5.0X 10_4 Pa，退火時間為I小時。進一步,所述Y -Fe2O3粉末用共沉淀法制備。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利用磁控濺射的方法在銅片上沉積Y-Fe2O3薄膜，并且利用了高溫真空退火的方法，有效提高了 Y-Fe2O3的結(jié)晶程度，同時在Y-Fe2O3表面可以形成大量的孔洞，從而使其具有良好傳輸鋰離子的獨特物理性質(zhì)，而且鋰離子的傳輸不易破壞Y-Fe2O3良好的結(jié)晶程度，因此將其作為鋰離子電池陽極材料，不但可以提高電池的實際容量，而且可以大大地延長循環(huán)使用壽命；本發(fā)明制備的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料能夠?qū)崿F(xiàn)電池的長壽命、高容量，能夠用于各種電子器件的理想鋰離子電池。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述，其中
圖1為實施例1、實施例2和比較例I制備得到的Y -Fe2O3鋰離子電池陽極材料的XRD
圖2為實施例2制備得到的Y -Fe2O3鋰離子電池陽極材料的XPS 圖3為實施例1、實施例2和比較例I制備得到的Y -Fe2O3鋰離子電池陽極材料的SEM平面及截面 圖4為實施例1、實施例2和比較例I的三個鈕扣式鋰離子電池的CV曲線；
圖5為實施例1、實施例2和比較例I的三個鈕扣式鋰離子電池的前十次充放電循環(huán)曲線.
-^4 ，
圖6為實施例2的鈕扣式鋰離子電池的前三次充放電循環(huán)曲線；
圖7為實施例2的鈕扣式鋰離子電池在不同放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線；
圖8為實施例2的鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線；
圖9為實施例1、實施例2和比較例I的三個鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線；
圖10為實施例1、實施例2和比較例I的三個鈕扣式鋰離子電池在充放電前和充放電后的impedance曲線。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細(xì)的描述。實施例1
實施例1的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，包括以下步驟
1)用常規(guī)共沉淀法制備Y-Fe2O3粉末，將Y-Fe2O3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的Y-Fe2O3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入氬氣，氣壓為1.OPa，利用磁控濺射法在銅片上沉積Y -Fe2O3薄膜，沉積速率為O.1 nm/s，沉積厚度為350 nm ；
5)將沉積了Y -Fe2O3薄膜的銅片在真空度為5. OX 10_4 Pa的真空條件下300°C退火I小時，冷卻后得到Y(jié)-Fe2O3鋰離子電池陽極材料。實施例2
實施例2的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，包括以下步驟
I)用常規(guī)共沉淀法制備Y-Fe2O3粉末，將Y-Fe2O3粉末壓制成靶材；2)將壓制成的Y-Fe2O3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入氬氣，氣壓為1.OPa，利用磁控濺射法在銅片上沉積
Y-Fe2O3薄膜，沉積速率為O.1 nm/s，沉積厚度為350 nm ；
5)將沉積了Y -Fe2O3薄膜的銅片在真空度為5. OX 10_4 Pa的真空條件下600°C退火I小時，冷卻后得到Y(jié)-Fe2O3鋰離子電池陽極材料。
比較例I
比較例I的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，包括以下步驟
1)用常規(guī)共沉淀法制備Y-Fe2O3粉末，將Y-Fe2O3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的Y-Fe2O3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入氬氣，氣壓為1.OPa，利用磁控濺射法在銅片上沉積
Y-Fe2O3薄膜，沉積速率為O.1 nm/s，沉積厚度為350nm ;得到Y(jié) -Fe2O3鋰離子電池陽極材料。圖1為實施例1、實施例2和比較例I制備得到的Y -Fe2O3鋰離子電池陽極材料的XRD圖，如圖1所示，可以看出實施例1和實施例2的Y-Fe2O3經(jīng)過了高溫退火，有效提高了 Y-Fe2O3的結(jié)晶程度。圖2為實施例2制備得到的Y -Fe2O3鋰離子電池陽極材料的XPS圖，如圖2所示，由該圖可知，經(jīng)過高溫退火，并沒有Fe2+和Fe出現(xiàn)，這充分說明我們的樣品只包含F(xiàn)e3+。圖3為實施例1、實施例2和比較例I制備得到的Y -Fe2O3鋰離子電池陽極材料的SEM平面及截面圖，如圖3所示，其中圖3(a)和(b)為比較例I的平面SEM圖，圖3 (c)和(d)為實施例1的平面SEM圖，圖3 (e)和(f)為實施例2的平面SEM圖，圖3 U )和(h)為Y -Fe2O3薄膜的截面圖。由圖3可以看出，實施例1和實施例2的Y -Fe2O3經(jīng)過了高溫真空退火，在Y-Fe2O3表面形成了大量微觀孔洞，這種孔洞實現(xiàn)了足夠高的鋰嵌入量和很好的鋰脫嵌可逆性。分別將實施例1、實施例2和比較例I制備得到的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料作為工作電極，鋰片作為對電極，制備成三個鈕扣式鋰離子電池。圖4為三個鈕扣式鋰離子電池的CV曲線，如圖4所示，比較例I和實施例1所制備的Y-Fe2O3只有一對氧化還原峰，而實施例2出現(xiàn)了兩對氧化還原峰。圖5為三個鈕扣式鋰離子電池的前十次充放電循環(huán)曲線，如圖5所示，比較例I和實施例1所制備的Y-Fe2O3在前十次充放電中，容量衰減嚴(yán)重，而實施例2所制備的
Y-Fe2O3在前十次充放電中幾乎沒有容量衰減。圖6為實施例2的鈕扣式鋰離子電池的前三次充放電循環(huán)曲線，如圖6所示，由該圖可知，實施例2所制備的Y-Fe2O3不管是在小電流密度充放電還是大電流密度充放電，從第二次循環(huán)開始，其容量幾乎不會有衰減，并且放電平臺電壓大約都為1.0 V。圖7為實施例2的鈕扣式鋰離子電池在不同放電倍率下的容量一循環(huán)次數(shù)曲線，如圖7所示，可見實施例2所制備的Y -Fe2O3在不同放電倍率下，其容量都很穩(wěn)定。
圖8為實施例2的鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量一循環(huán)次數(shù)曲線，如圖8所示，可見，在小電流充放電時，其容量隨充放電循環(huán)不斷增大，在大電流充放電時，其循環(huán)壽命相當(dāng)長。圖9為三個鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量一循環(huán)次數(shù)曲線，如圖9所示，可見，比較例I所制備的Y-Fe2O3衰減很嚴(yán)重，實施例1在充放電循環(huán)600次后，容量幾乎沒有衰減，而實施例2所制備的Y -Fe2O3隨著充放電次數(shù)的增加，容量持續(xù)上升。圖10為三個鈕扣式鋰離子電池在充放電前和充放電后的impedance曲線，如圖10所示，可以看出，在充放電循環(huán)之前，隨著退火溫度的上升，其陰抗相應(yīng)增大。但在500次充放電之后，經(jīng)過退火處理的Y-Fe2O3的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沒有退火的Y-Fe2O3的阻抗。通過上述實驗可以證明，實施例1和實施例2通過磁控濺射沉積Y -Fe2O3薄膜然后高溫真空退火的方法制備得到Y(jié) -Fe2O3鋰離子電池陽極材料，該陽極材料具有良好的結(jié) 晶程度，同時在Y -Fe2O3表面形成了大量的孔洞，從而提高了電池的實際容量，延長了電池的循環(huán)使用壽命；而沒有經(jīng)過退火處理的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料，在電池的實際容量、電池的循環(huán)使用壽命等方面均相對較差。本發(fā)明中，磁控濺射工藝參數(shù)可以為常規(guī)的磁控濺射鍍膜參數(shù)，沉積厚度可以隨機控制；而真空退火的溫度需要控制在30(T600°C之間。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)將Y-Fe2O3粉末壓制成靶材； 2)將壓制成的Y-Fe2O3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)； 3)將銅片作為基片，放入磁控濺射腔體內(nèi)； 4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入惰性氣體，利用磁控濺射法在銅片上沉積Y-Fe2O3薄膜； 5)將沉積了￥46203薄膜的銅片在真空條件下300飛001退火，冷卻后得到Y(jié)-Fe2O3鋰離子電池陽極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，其特征在于所述步驟3)中，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，其特征在于所述步驟4)中，惰性氣體為氬氣，氣壓為1. OPa，沉積速率為O.1 nm/s，沉積厚度為350 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，其特征在于所述步驟5)中，真空度為5. 0X10_4 Pa，退火時間為I小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項所述的Y-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，其特征在于所述Y-Fe2O3粉末用共沉淀法制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種γ-Fe2O3鋰離子電池陽極材料的制備方法，包括以下步驟1)將γ-Fe2O3粉末壓制成靶材；2)將壓制成的γ-Fe2O3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；3)將銅片作為基片，放入磁控濺射腔體內(nèi)；4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入惰性氣體，利用磁控濺射法在銅片上沉積γ-Fe2O3薄膜；5)將沉積了γ-Fe2O3薄膜的銅片在真空條件下300~600℃退火，冷卻后得到γ-Fe2O3鋰離子電池陽極材料。本發(fā)明制備的γ-Fe2O3鋰離子電池陽極材料具有良好傳輸鋰離子的獨特物理性質(zhì)，而且鋰離子的傳輸不易破壞γ-Fe2O3良好的結(jié)晶程度，不但可以提高電池的實際容量，而且可以大大地延長循環(huán)使用壽命。
文檔編號H01M4/52GK103022473SQ20131000876
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者李長明, 孫柏 申請人:西南大學(xué)