專利名稱：一種用于鋰電池的硒化亞鐵陰極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一類用于鋰電池的陰極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
二次鋰電池是筆記本電腦、照相機、手機以及其它通訊器材的重要電源，而且有可能作為綠色能源用于汽車和其它交通工具。為了進(jìn)一步提高鋰電池的性能，人們正在研究、尋找性能更好的新型的陰極和陽極材料。此外，隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發(fā)與此相匹配的鋰電池，例如薄膜鋰電池等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一類性能良好的鋰電池陰極材料及其制備方法。
本發(fā)明提出的鋰電池陰極材料是一種具有四方結(jié)構(gòu)的硒化亞鐵(FeSe)材料。經(jīng)研究表明，此類材料具有良好的電化學(xué)性能，可作為高性能鋰電池的陰極材料。目前為止沒有關(guān)于硒化亞鐵(FeSe)材料用作鋰電池陰極材料的報道。
本發(fā)明提出的作為鋰電池陰極材料的硒化亞鐵(FeSe)為薄膜形式，由納米粒子組成，粒徑為40-100nm，薄膜材料的厚度為0.4-1μm。
本發(fā)明還提出了前述鋰電池陰極材料的制備方法，具體介紹如下作為鋰電池陰極材料的硒化亞鐵(FeSe)薄膜可采用反應(yīng)性脈沖激光沉積法制備，具體步驟為將鐵粉和硒粉研磨混合后壓片制成脈沖激光沉積所用的靶，其中硒粉的物質(zhì)的量為鐵粉的1-3倍，由摻釹釔鋁榴石激光器產(chǎn)生的1064nm基頻經(jīng)三倍頻后獲得355nm脈沖激光，激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到上述靶上，靶子和基片的距離為25-50mm，在氬氣氣氛中在基片上沉積得到硒化亞鐵(FeSe)薄膜，基片可采用不銹鋼片、鉑片或鍍金單晶硅片，基片溫度為150-250℃。薄膜的沉積時間由薄膜厚度要求確定，一般為0.3-1.0h。薄膜厚度可由掃描電鏡測定，薄膜的重量根據(jù)電子天平稱量實驗前后基片重量作差得到。
本發(fā)明中，硒化亞鐵(FeSe)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)由X-射線衍射儀(Bruker D8 Advance)確定。X-射線衍射圖譜表明由脈沖激光反應(yīng)沉積法制得的硒化亞鐵(FeSe)薄膜為多晶四方結(jié)構(gòu)。由掃描電鏡(Philips XL30)測定表明，由脈沖激光反應(yīng)沉積法制得的硒化亞鐵(FeSe)薄膜由納米粒子組成，它們的粒徑為40-100nm，而且粒子分布均勻。
本發(fā)明中，硒化亞鐵(FeSe)薄膜可直接制成鋰電池薄膜電極。
本發(fā)明中，硒化亞鐵(FeSe)薄膜電極的電化學(xué)性能測試采用由三電極組成的電池系統(tǒng)，其中，硒化亞鐵(FeSe)薄膜用作工作電極，高純鋰片分別用作為對電極和參比電極。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。電池的充放電實驗在藍(lán)電(Land)電池測試系統(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、鉑片等金屬基片上制得的硒化亞鐵(FeSe)薄膜電極均具有充放電性能，放電平臺出現(xiàn)在1.62和1.45V(相對于Li+/Li)，第一次不可逆放電容量損失小于10％，在電壓范圍1.0-3.0V和電流密度5μA/cm2時，硒化亞鐵(FeSe)薄膜電極的比容量在前100次循環(huán)內(nèi)保持在355～402mAh/g。
上述性能表明，硒化亞鐵(FeSe)是一類新型的陰極材料，可應(yīng)用于鋰電池。


圖1為硒化亞鐵(FeSe)薄膜的XRD譜圖。圖中星號表示不銹鋼基片的衍射峰。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進(jìn)一步介紹本發(fā)明。
實施例1采用反應(yīng)性脈沖激光沉積法制備硒化亞鐵(FeSe)薄膜，顏色為灰色。制備時，混合靶中，硒粉的物質(zhì)的量是鐵粉的1.5倍，采用不銹鋼片作為基片，基片與靶的距離為40mm，基片溫度為200℃，由NdYAG激光器產(chǎn)生的基頻經(jīng)三倍頻產(chǎn)生355nm脈沖激光，激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到鐵粉與硒粉的混合靶上。能量密度為2J·cm-2，沉積時間為0.5小時。
X-射線衍射測定表明沉積的薄膜為多晶四方結(jié)構(gòu)的硒化亞鐵(FeSe)，含少量的Fe7Se8和FeSe2(附圖1)。由掃描電鏡照片測定表明由脈沖激光反應(yīng)性沉積制得的硒化亞鐵(FeSe)薄膜表面為納米顆粒。
對不銹鋼基片上的硒化亞鐵(FeSe)薄膜電極的電化學(xué)性能測試結(jié)果如下硒化亞鐵(FeSe)薄膜電極可在5μA/cm2充放電速率下進(jìn)行充放電循環(huán)。在電壓范圍1.0-3.0V內(nèi)，第一次放電容量可達(dá)388mAh/g，可逆容量為360mAh/g，經(jīng)過15次循環(huán)后放電容量趨于穩(wěn)定，循環(huán)100次容量保持在396mAh/g。
因此，在不銹鋼片上沉積的硒化亞鐵(FeSe)薄膜可用作鋰電池的陰極材料。
實際試驗表明，在上述制備過程，在前面所述的硒粉和鐵粉的量的比例范圍內(nèi)和所述的制備條件下，均能獲得多晶四方結(jié)構(gòu)的硒化亞鐵薄膜材料，并具有所述電化學(xué)性能，都可以作為鋰電池的陰極材料。這里不再一一舉例。
權(quán)利要求
1.一種鋰電池陰極材料，其特征在于為一種具有四方結(jié)構(gòu)的硒化亞鐵材料，該類材料為薄膜形式，由納米粒子組成，粒徑為40-100nm，薄膜的厚度為0.4-1μm。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鋰電池陰極材料的制備方法，其特征在于硒化亞鐵薄膜材料采用反應(yīng)性脈沖激光沉積法制備，具體步驟為將鐵粉和硒粉研磨混合后壓片制成脈沖激光沉積所用的靶，其中硒粉的物質(zhì)的量為鐵粉的1-3倍，由摻釹釔鋁榴石激光器產(chǎn)生的1064nm基頻經(jīng)三倍頻后獲得355nm脈沖激光，激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射到上述靶上，靶子和基片的距離為25-45mm，在氬氣氣氛中在基片上沉積得到硒化亞鐵薄膜，基片采用不銹鋼片、鉑片或鍍金單晶硅片，基片溫度為150-250℃。
全文摘要
本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鋰電池的陰極材料及其制備方法，該村料為一種硒化亞鐵(FeSe)薄膜，通過反應(yīng)性脈沖激光沉積法制備獲得。該薄膜制成的電極，具有良好的充放電循環(huán)可逆性，由硒化亞鐵(FeSe)薄膜制成的電極的比容量保持在400mAh/g左右。電極經(jīng)100次循環(huán)后容量沒有無明顯的衰減。硒化亞鐵(FeSe)電極材料化學(xué)穩(wěn)定性好、比容量高、制備方法簡單，適用于鋰電池。
文檔編號C01B19/04GK1949564SQ20061011759
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月26日
發(fā)明者薛明喆, 傅正文 申請人:復(fù)旦大學(xué)