專利名稱：一種用于鋰離子電池的電極活性材料Li₃N/Co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)：
隨著移動(dòng)電話、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機(jī)、照相機(jī)等電子設(shè)備的飛速發(fā)展，與電子產(chǎn) 品相匹配的小型化長(zhǎng)壽命電源的研究越來(lái)越受到重視，鋰離子電池由于其體積小，重量輕， 工作電壓高，能量密度大而備受關(guān)注。為了研制大容量的鋰離子電池，陽(yáng)極材料的選擇尤 為重要。目前，最常用的鋰離子電池陽(yáng)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(yáng)極材料變得非常迫 切。

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)明提出的電極活性材料，是一種由脈沖激光沉積法制備的Li3N與過(guò)渡金屬Co的 納米復(fù)合薄膜電極材料，記為L(zhǎng)i3N/Co。該電極材料不僅含有電化學(xué)活性鋰，而且具有良 好充放電循環(huán)性能的高容量電極材料。主要原理為采用脈沖激光沉積技術(shù)使Li3N和Co 高度分散混合，并在基片上獲得納米復(fù)合物薄膜。其中薄膜粒徑小于20nm，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。
用于鋰離子電池的電極活性材料，是由Li3N與過(guò)渡金屬Co均勻混合組成的納米復(fù)合 物，Li3N與過(guò)渡金屬Co的摩爾比為l:x， 3>x>0.5。其中Co的粒徑小于20nm， Li3N為干 燥的氮化鋰，Li3N的粒徑小于20nm。該納米復(fù)合物為采用脈沖激光沉積法制備的薄膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于直接利用Li3N與過(guò)渡金屬Co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)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(為200-450mAh/g);混合物的制備過(guò)程不需要傳統(tǒng)電極材料的高溫反應(yīng)或高能 球磨過(guò)程，僅需要采取一定的方法使復(fù)合物達(dá)到納米級(jí)(20nm)以下的混合即可。因此具 有制備過(guò)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電極活性材料的具體步驟如下將摩爾比為l:x(3>x>0.5)的Li3N 與過(guò)渡金屬Co均勻混合后壓制成靶材料，通過(guò)脈沖激光沉積的方法制備成復(fù)合納米混合 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;沉積溫度為室溫；激光為由Nd:YAG激光器產(chǎn)生的基 頻經(jīng)三倍頻產(chǎn)生的355nrn脈沖激光，脈沖頻率10Hz,脈沖寬度10ns，能量密度為 1.5-2.5J/cm-2;沉積時(shí)間0. 5-lh。


圖1為L(zhǎng)i3N/Co復(fù)合納米薄膜的充放電曲線。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)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Co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(guò)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35mm;沉積過(guò)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(zhǎng)為355nm，脈沖頻率10Hz，脈沖寬度10ns，能量密度為2J/cm—2;沉積 時(shí)間為0.5小時(shí)。
由SEM表明，沉積薄膜中顆粒粒徑約為20nm。表明沉積的薄膜為L(zhǎng)i3N/Co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L(zhǎng)i3N/Co納米混合物，其中Li3N和Co 都為六方結(jié)構(gòu)，空間群都為P63/mmc。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。電池放電平臺(tái)在1.3V左右，容量達(dá)到400mAh/g左右(見附 圖1)。
權(quán)利要求
1、用于鋰離子電池的電極活性材料Li3N/Co，其特征是由Li3N和過(guò)渡金屬Co均勻混合組成的納米復(fù)合物，Li3N與Co的摩爾比為1∶x，3＞x＞0.5，Li3N和Co的粒徑小于20nm。
2、 一種如權(quán)利要求1所述的用于鋰離子電池的電極活性材料Li3N/Co的制備方法，其 特征在于具體步驟如下將摩爾比為l:x的Li3N與過(guò)渡金屬Co均勻混合后壓制成耙材 料，通過(guò)脈沖激光沉積的方法制備成復(fù)合納米混合物電極薄膜材料，3>x>0.5，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; 沉積溫度為室溫；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/cm—2;沉積時(shí)間0. 5-lh。
全文摘要
本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于鋰離子電池的電極活性材料及其制備方法。該材料是由Li₃N與過(guò)渡金屬元素Co構(gòu)成的納米復(fù)合物L(fēng)i₃N/Co，通過(guò)脈沖激光沉積法制備獲得，Li₃N/Co納米復(fù)合物粒徑小于20nm。薄膜電極的比容量隨薄膜中過(guò)渡金屬元素Co所占比例不同在200-450mAh/g范圍內(nèi)變化，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)H01M4/58GK101174690SQ20071004691
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月11日
發(fā)明者傅正文, 吳曉京, 周永寧 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)