一種磁控濺射法制備GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料的方法及其在鋰離子電池上的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種磁控瓣射法制備GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料的方法，并將其應(yīng)用于裡 離子電池上，屬于儲能材料與電化學(xué)電源領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 伴隨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染，可再生能源的開發(fā)和利用顯得尤為迫 切。然而，可再生能源如太陽能、風(fēng)能、潮軟能等具有不連續(xù)性、不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，如何提高 運(yùn)些能源的利用效率顯得尤為重要。裡離子電池具有工作電壓高、比能量大、環(huán)境友好等顯 著優(yōu)點(diǎn)，是一種理性的儲能設(shè)備。目前，裡離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、手提電腦等便攜 式電子設(shè)備中，但作為未來電動(dòng)交通工具和大型儲能電站的電源還需進(jìn)一步提升其能量密 度及功率密度。高能量密度、高功率密度裡離子電池的研制取決于高性能裡離子電池材料 的研發(fā)。目前，商用裡離子電池正極材料體系相對豐富，而負(fù)極材料體系相對單一，亟需拓 展。按照充放電機(jī)理，現(xiàn)有負(fù)極材料可分為=類：1)嵌入/脫出式，W石墨材料為代表;2)合 金/去合金化型，WSi為代表;3)轉(zhuǎn)換型材料，W過渡族金屬氧化物為代表。其中，傳統(tǒng)嵌入/ 脫出式負(fù)極材料理論容量較低，作為負(fù)極不利于提升裡離子電池的能量密度。合金/去合金 化型負(fù)極材料在嵌、脫裡過程中往往存在較大的體積變化，容易導(dǎo)致材料粉化和容量衰減。 轉(zhuǎn)換型負(fù)極材料相對于嵌入/脫出式材料而言具有更高的理論容量，相對于合金/去合金化 型材料而言具有更小的體積變化，是一種理想的負(fù)極材料。其理論容量可根據(jù)
計(jì) 算得出，其中，n為一個(gè)電極材料分子可W可逆存儲與釋放的Li+個(gè)數(shù)，由金屬陽離子的價(jià)態(tài) 決定，M是電極材料的分子量。在存儲同樣數(shù)目Li +的時(shí)候，電極材料的分子量越低，其理論 容量越高。目前，轉(zhuǎn)換型材料正在逐漸從過渡族金屬氧化物體系向硫化物，憐化物，氮化物、 氣化物等拓展。其中，氮化物中N的價(jià)態(tài)通常為為-3價(jià)，且其原子量較小，作為裡離子電池負(fù) 極有利于提升其可逆容量。但氮化物制備較難，其作為裡離子電池負(fù)極的應(yīng)用報(bào)道較少。 GaN作為一種典型的半導(dǎo)體材料，前期在半導(dǎo)體行業(yè)對其制備方法及在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 有了一定的研究積累。然而，目前，關(guān)于其在儲能領(lǐng)域中的應(yīng)用并未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 基于W上背景，本項(xiàng)目發(fā)展一種瓣射法將Ga腳冗積到導(dǎo)電基體上，并對其作為無粘 結(jié)劑裡離子電池負(fù)極的電化學(xué)性能進(jìn)行首次研究。結(jié)果表明，GaN具有較高的儲裡容量，在 裡離子電池中有潛在應(yīng)用價(jià)值。具體制備方法如下
[0004] (1)將純度為99.99 %GaN祀材和金屬襯底分別安置于瓣射腔中，祀材與襯底距離D = 7cm;
[0005] (2)對腔體進(jìn)行抽真空，V M X IO-7Torr;
[0006] (3)對襯底進(jìn)行加熱，并將其溫度保持在25~700°C ;
[0007] (4)利用磁控瓣射對祀材進(jìn)行轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。
[000引步驟（4)是在反應(yīng)氣體N2流量F = 20sccm，工作氣壓P= IOOmTorr;瓣射功率W = 200w的條件下沉積時(shí)間20~200min后得到的。
[0009] 所述的金屬襯底為銅錐、儀錐、泡沫銅、泡沫儀、預(yù)沉積石墨締緩沖層的銅錐、儀 錐、泡沫銅或泡沫儀中的任意一種。
[0010] 本發(fā)明還將所述的磁控瓣射法制備的GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料在裡離子電池上的 應(yīng)用
[0011] 本發(fā)明所設(shè)及的GaN材料及制備方法具有W下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：
[0012] (1)所制備GaN直接生長在導(dǎo)電基體上，與基體結(jié)合緊密；
[001引（2)所制備樣品中GaN為均勻的納米顆粒，平均尺寸在40nm;
[0014] (3)所制備GaN可作為裡離子電池負(fù)極材料，具有較高充、放電容量和較低的充、放 電平臺。
【附圖說明】
[001引圖1實(shí)施例1所制備樣品的沈M圖；
[0016] 圖2實(shí)施例1所制備樣品的首次充、放電曲線；
[0017] 圖操施例2所制備樣品的首次充、放電曲線；
[0018] 圖4實(shí)施例3所制備樣品的首次充、放電曲線。
【具體實(shí)施方式】 [0019]實(shí)施例1
[0020] 將純度為GaN祀材99.99%和銅錐分別安置于瓣射腔中，祀材與襯底距離D = 7cm; 對腔體進(jìn)行抽真空至V ^ 1 X 1(T叮orr并對襯底進(jìn)行加熱至600°C ;利用磁控瓣射對祀材進(jìn)行 轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。反應(yīng)氣體化流量F = 20sccm，工作氣壓P= IOOmTorr;瓣射 功率W = 2 0 Ow，沉積時(shí)間12 Om i n S。所制備的樣品經(jīng)經(jīng)SEM表征，由圖1可W看出，樣品為納米 顆粒，平均尺寸約40nm。將實(shí)施例1所得的材料按如下方法制成紐扣電池:將制得的GaN/Cu 裁剪成直徑14mm的圓片，在120°C下真空干燥12h。W金屬裡片為對電極，Celgard膜為隔膜， 溶解有LiPFs (Imo 1 /L)的EC+DEC (體積比為1:1)的溶液為電解液，在氣氣保護(hù)的手套箱中組 裝成CR2025型電池。電池組裝完后靜置化，再用CT2001A電池測試系統(tǒng)進(jìn)行恒流充放電測 試，測試電壓為3~0.02V。圖2表明，實(shí)施例1所制備的GaN作為裡離子電池負(fù)極首次充、放電 容量分別為913和1070mAh/g，放電平臺主要在0.75~0.02V之間，充電平臺主要在0.2~ 1.2V之間。
[0021] 實(shí)施例2
[0022] 將將純度為GaN祀材99.99%和泡沫儀分別安置于瓣射腔中，祀材與襯底距離D = 7cm;對腔體進(jìn)行抽真空至V ^ 1 X ICT7Torr并對襯底進(jìn)行加熱至600°C ;利用磁控瓣射對祀材 進(jìn)行轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。反應(yīng)氣體化流量F = 20sccm，工作氣壓P= IOOmTorr; 瓣射功率W= 200W，沉積時(shí)間SOmins。將實(shí)施例2所得的材料按實(shí)施例1中步驟制備成紐扣電 池并對其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。如圖3所示，實(shí)施例2所制備的GaN作為裡離子電池負(fù)極首次 充、放電容量分別為888和980mAh/g。
[0023] 實(shí)施例3
[0024] 將將純度為GaN祀材99.99%和預(yù)沉積石墨締的泡沫銅分別安置于瓣射腔中，祀材 與襯底距離D = 7cm;對腔體進(jìn)行抽真空至VM X ICT7Torr并對襯底進(jìn)行加熱至600。利用 磁控瓣射對祀材進(jìn)行轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。反應(yīng)氣體化流量F = 20sccm，工作氣 壓P = IOOmTorr;瓣射功率W=200W，沉積時(shí)間SOmins。將實(shí)施例2所得的材料按實(shí)施例1中步 驟制備成紐扣電池并對其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。如圖3所示，實(shí)施例2所制備的GaN作為裡離 子電池負(fù)極首次充、放電容量分別為913和955mAh/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種磁控派射法制備G a N /導(dǎo)電基體復(fù)合材料的方法，其特征在于，該復(fù)合材料為 GaN，具體制備方法為： (1) 將純度為99.99%GaN靶材和金屬襯底分別安置于濺射腔中，靶材與襯底距離D = 7 cm； (2) 對腔體進(jìn)行抽真空，lXl(T7T〇rr; (3) 對襯底進(jìn)行加熱，并將其溫度保持在25~700 °C ; (4) 利用磁控濺射對靶材進(jìn)行轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。2. 權(quán)利要求1所述的磁控濺射法制備GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料的方法，其特征在于，步驟 (4)是在反應(yīng)氣體N2流量F = 20sccm，工作氣壓P = lOOmTorr;派射功率W = 200w的條件下沉 積時(shí)間20~200min后得到的。3. 權(quán)利要求1所述磁控濺射法制備GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料的方法，其特征在于，所述的 金屬襯底為銅箱、鎳箱、泡沫銅、泡沫鎳、預(yù)沉積石墨烯緩沖層的銅箱、鎳箱、泡沫銅或泡沫 鎳中的任意一種。4. 權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的磁控濺射法制備的GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料在鋰離子電池 上的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁控濺射法制備GaN/導(dǎo)電基體復(fù)合材料的方法，該復(fù)合材料為GaN，具體制備方法為：將純度為99.99％GaN靶材和金屬襯底分別安置于濺射腔中，靶材與襯底距離D＝7cm；對腔體進(jìn)行抽真空，V≥1×10-7Torr；對襯底進(jìn)行加熱，并將其溫度保持在25～700℃；利用磁控濺射對靶材進(jìn)行轟擊，在金屬襯底上沉積生長GaN。所制備GaN直接生長在導(dǎo)電基體上，與基體結(jié)合緊密；所制備樣品中GaN為均勻的納米顆粒，平均尺寸在40nm；所制備GaN可作為鋰離子電池負(fù)極材料，具有較高充、放電容量和較低的充、放電平臺。
【IPC分類】H01M4/1397, H01M4/58, H01M4/04, H01M4/136, H01M4/36, H01M10/0525
【公開號】CN105633378
【申請?zhí)枴緾N201610118186
【發(fā)明人】倪世兵, 黃鵬
【申請人】三峽大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年3月2日