專(zhuān)利名稱(chēng)：以硒化亞錫薄膜為陽(yáng)極材料的薄膜鋰離子電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以硒化亞錫薄膜為陽(yáng)極材料的薄膜鋰離子電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子器件的小型化，迫切要求開(kāi)發(fā)與此相匹配的小型化長(zhǎng)壽命電源。全固態(tài)可充放薄膜鋰離子電池與其它化學(xué)電池相比，其比容量大，充放電壽命長(zhǎng)，而且安全性能好。為了使全固態(tài)薄膜鋰離子電池具有良好的性能，關(guān)鍵技術(shù)是在尋找比容量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，不可逆容量損失少的陽(yáng)極和陰極材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的薄膜鋰離子電池，其陽(yáng)極材料采用硒化亞錫(SnSe)薄膜，使用該陽(yáng)極材料可大大提高薄膜鋰離子電池的性能。
本發(fā)明提供的薄膜鋰離子電池，其陽(yáng)極材料采用硒化亞錫(SnSe)薄膜，該薄膜由納米粒子組成，粒子的尺寸為15-50納米，粒子分布均勻。目前為止沒(méi)有關(guān)于任何金屬硒化物材料用作鋰離子電池陽(yáng)極材料的報(bào)道。
本發(fā)明首先發(fā)現(xiàn)硒化亞錫(SnSe)薄膜材料具有良好的電化學(xué)性能，可逆比容量為583mAh/g，高于錫基復(fù)合氧化物462mAh/g的可逆容量，而循環(huán)40次后可逆容量損失為30％，具有較好的可逆循環(huán)性，因此，可以用作鋰離子電池。
本發(fā)明的制備方法，主要是陽(yáng)極材料硒化亞錫(SnSe)薄膜的制備，是采用反應(yīng)性脈沖激光沉積法。即將脈沖激光燒蝕由錫粉與硒粉組成的混合靶，制得所需薄膜。具體步驟如下將錫粉和硒粉研磨混合，其中硒粉的物質(zhì)的量為錫粉的1.3-1.6倍；研磨后將混合物壓成直徑為10-15mm的圓片，作為脈沖激光沉積所用的靶，采用不銹鋼片作為基片，基片與靶的距離為35-42mm，基片溫度為400-450℃；預(yù)抽反應(yīng)腔至1-2Pa，通入氬氣，由一針閥控制其流量，并維持腔內(nèi)壓強(qiáng)為2-8Pa；由Nd:YAG激光器產(chǎn)生的1064nm基頻經(jīng)三倍頻后獲得355nm激光，激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到靶上，能量密度約為1.5-2.5J·cm-2。沉積時(shí)間由薄膜厚度要求確定，一般為0.4-0.8h。
本發(fā)明的薄膜鋰離子電池的制備方法其余步驟與通常的制備方法相同。
本發(fā)明采用脈沖激光燒蝕錫粉與硒粉的混合靶直接制備出硒化亞錫薄膜材料。該材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。目前的關(guān)于脈沖激光沉積法制備硒化亞錫薄膜的報(bào)道中均采用商品硒化亞錫(SnSe)，未見(jiàn)直接采用錫粉與硒粉混合靶的報(bào)道。
本發(fā)明中硒化亞錫(SnSe)結(jié)構(gòu)由X-射線(xiàn)衍射儀(Bruker D8 Advance)確定。X-射線(xiàn)衍射圖譜表明，由脈沖激光反應(yīng)沉積得到的硒化亞錫(SnSe)薄膜為正交結(jié)構(gòu)，并有少量的金屬錫存在。由掃描電鏡(Philips XL30)測(cè)定表明，由脈沖激光反應(yīng)沉積制得的硒化亞錫(SnSe)薄膜由納米粒子組成，直徑在15-50納米，而且粒子分布均勻。薄膜的組成由X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)進(jìn)行表征。結(jié)果表明組成為錫與硒，其中錫有兩種價(jià)態(tài)，積分Sn3d5/2和Se 3p3/2XPS譜的面積能夠估計(jì)薄膜的組成為Sn0.1(SnSe)0.9。
本發(fā)明中硒化亞錫(SnSe)薄膜電極的電化學(xué)性能測(cè)試采用由三電極組成的電池系統(tǒng)，其中硒化亞錫(SnSe)薄膜用作工作電極，高純鋰片分別用作為對(duì)電極和參比電極。電解液為1M LiPF6+EC+DMC(V/V＝1/1)。電池裝配在充氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電實(shí)驗(yàn)在藍(lán)電(Land)電池測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。
本發(fā)明中由脈沖激光反應(yīng)性沉積法在不銹鋼片上制得的硒化亞錫(SnSe)薄膜電極具有充放電性能。硒化亞錫(SnSe)薄膜電極與金屬鋰組成電池后，其放電平臺(tái)出現(xiàn)在1.30V和0.28V(相對(duì)于Li/Li+)。在電壓范圍2.50-0.01V和電流密度10μA/cm2時(shí)，該薄膜電極比容量保持在400～681mAh/g。上述性能表明，硒化亞錫薄膜電極是一種新型的陽(yáng)極材料，可廣泛應(yīng)用于薄膜鋰離子電池。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例本發(fā)明采用反應(yīng)性脈沖激光沉積法制備硒化亞錫(SnSe)薄膜，顏色為灰色。制備時(shí)，混合靶中，硒粉的物質(zhì)的量是錫粉的1.5倍，靶的直徑為13mm，采用清潔的不銹鋼為基片，基片與靶的距離為38mm，基片溫度為400℃，預(yù)抽反應(yīng)腔至2Pa，通入氬氣，維持氣壓5Pa。由Nd:YAG激光器產(chǎn)生的基頻經(jīng)三倍頻產(chǎn)生355nm脈沖激光，激光的重復(fù)頻率為10Hz，脈沖寬度為10ns，激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到錫粉與硒粉的混合靶上。能量密度為2J·cm-2，沉積時(shí)間為0.5小時(shí)。
由X-射線(xiàn)衍射測(cè)定表明，沉積的薄膜為多晶正交結(jié)構(gòu)的硒化亞錫(SnSe)與少量的金屬錫。X射線(xiàn)光電子能譜顯示了Sn與Se的峰，薄膜的組成估計(jì)為Sn0.1(SnSe)0.9。由掃描電鏡照片測(cè)定表明，由脈沖激光反應(yīng)性沉積制得的硒化亞錫(SnSe)薄膜由直徑約為20納米的粒子組成，粒子分布均勻，無(wú)針孔。
硒化亞錫(SnSe)薄膜電極的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如下1、硒化亞錫(SnSe)薄膜電極可在10μA/cm2充放電速率下進(jìn)行充放電循環(huán)。在電壓范圍0.01-2.5V內(nèi)，第一次放電容量可達(dá)681mAh/g，循環(huán)40次容量衰減較小，可逆容量損失約為44％。充放電效率為113％。
2、硒化亞錫(SnSe)薄膜電極的循環(huán)伏安測(cè)試顯示，在第一次放電過(guò)程中，能觀察到四個(gè)放電電位峰，分別在1.2V、0.73V、0.57V和0.23V。第二次循環(huán)后，1.2V處的峰移至1.0V，0.73V處的峰消失，0.57V處的峰移至0.50V，0.23V處的峰不變。所有的充電過(guò)程中都能觀察到有四個(gè)峰分別在0.50V、0.65V、0.80V和1.9V。
3、硒化亞錫(SnSe)薄膜電極電化學(xué)反應(yīng)后，X射線(xiàn)光電子能譜測(cè)試顯示，電化學(xué)反應(yīng)的薄膜電極中鋰錫合金的存在。
4、硒化亞錫(SnSe)薄膜電極電化學(xué)反應(yīng)再充電后，X-射線(xiàn)衍射與X射線(xiàn)光電子能譜測(cè)試顯示波膜表面生成了硒化亞錫(SnSe)，并有部分錫存在。
因此，納米硒化亞錫(SnSe)薄膜電極可用作鋰離子電池的陽(yáng)極材料。
權(quán)利要求
1.一種薄膜鋰離子電池，其特征在于陽(yáng)極采用硒化亞錫薄膜，該薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，由納米粒子組成，粒子的尺寸為15-50納米，粒子分布均勻。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鋰離子電池的制備方法，其特征在于陽(yáng)極材料硒化亞錫薄膜的制備采用脈沖激光反應(yīng)性沉積法，具體步驟為將錫粉和硒粉研磨混合，其中硒粉的物質(zhì)的量為錫粉的1.3-1.6倍；研磨后將混合物壓成直徑為10-15mm的圓片，作為脈沖激光沉積所用的靶，采用不銹鋼片作為基片，基片與靶的距離為35-42mm，基片溫度為400-450℃；預(yù)抽反應(yīng)腔至1-2Pa，通入氬氣，由一針閥控制其流量，并維持腔內(nèi)壓強(qiáng)為2-8Pa；由Nd:YAG激光器產(chǎn)生的1064nm基頻經(jīng)三倍頻后獲得355nm激光，激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到靶上，能量密度為1.5-2.5J·cm-2。
全文摘要
本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種陽(yáng)極材料采用納米尺寸硒化亞錫(SnSe)薄膜的鋰離子電池及其制備方法。該薄膜材料采用脈沖激光沉積法制備獲得，硒化亞錫(SnSe)薄膜的粒子尺寸為15－50nm，晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系。薄膜電極的比容量為681mAh/g，在反復(fù)充放電過(guò)程中呈良好的穩(wěn)定性。該種薄膜電極材料化學(xué)穩(wěn)定性好、比容量高，制備方法簡(jiǎn)單，適用于薄膜鋰離子電池。
文檔編號(hào)C23C14/22GK1794488SQ200510029698
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者薛明喆, 傅正文 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)