專利名稱：一種鋰離子電池陽極薄膜材料Sb的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可用作鋰離子陽極材料的Sb3N薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發(fā)與此相匹配的小型化長壽命電源。由于全固態(tài)可充放鋰離子薄膜電池與其它化學(xué)電池相比，它的比容量最大，具有超長的充放電壽命，而且安全性能好，全固態(tài)可充放鋰離子薄膜電池的研制非常重要。為了開發(fā)能用于此類電池的薄膜陽極材料，為了提高全固態(tài)薄膜鋰離子電池的性能，關(guān)鍵技術(shù)是在尋找比容量高，循環(huán)壽命長，不可逆容量損失少的陽極和陰極材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種性能更好的新型的鋰離子電池的陽極薄膜材料及其制備方法。
本發(fā)明提供的陽極薄膜材料是一種具有納米尺寸的主族金屬氮化物Sb3N薄膜。該薄膜的粒子直徑為20-50nm，而且粒子分布均勻；薄膜為無色，透明。已有報(bào)道的氮化物Sn3N2，Zn3N2，Cu3N，Ge3N4，Co3N，F(xiàn)e3N，Ni3N，Mn4N等薄膜材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但沒有Sb3N薄膜的電化學(xué)性能的報(bào)道。
本發(fā)明首先發(fā)現(xiàn)該薄膜材料具有良好的電化學(xué)性能，比容量大于600mAh/g，循環(huán)50次后基本無可逆容量損失，具有非常好的可逆循環(huán)性，顯示了比目前使用在全固態(tài)薄膜鋰離子電池的Sn3N2等陽極材料的優(yōu)越性，因此可能應(yīng)用于鋰離子電池。
本發(fā)明制備Sb3N薄膜的方法是通過反應(yīng)性射頻磁控沉積法。濺射腔由一個(gè)渦輪分子泵和一個(gè)機(jī)械泵抽真空直到小于0.5mPa，采用金屬銻作為濺射靶。反應(yīng)氣體為氮?dú)猓练e薄膜過程中的氣體壓強(qiáng)保持在0.2Pa-3.0Pa。濺射電源的功率為30瓦-200瓦，并且保持沉積片和靶之間的距離為5厘米-10厘米。在不銹鋼片和玻璃上沉積薄膜?；瑴囟葹?00℃-400℃，沉積時(shí)間為1小時(shí)到18小時(shí)。
本發(fā)明中，沉積在玻璃片上的Sb3N為無色，透明。
本發(fā)明中，Sb3N薄膜組成結(jié)構(gòu)由X射線光電子能譜(XPS，自制)進(jìn)行表征。XPS結(jié)果表明了組成為氮與銻，結(jié)合元素的靈敏度效正因子，與積分Sb與N 1s XPS譜的面積能夠估計(jì)N的含量約為25％。由掃描電鏡測(cè)定表明射頻磁控反應(yīng)沉積制得的薄膜表面平整，而且粒子分布均勻。
本發(fā)明中，Sb3N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Sb3N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。電池的充放電試驗(yàn)在藍(lán)電(Land)電池測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。
本發(fā)明中由射頻磁控反應(yīng)性沉積法在基片上制得的Sb3N薄膜電極均具有充放電性能。Sb3N薄膜電極，與金屬鋰組成電池后，其放電平臺(tái)出現(xiàn)在1.0V和0.8V左右(相對(duì)于Li/Li+)。在電壓范圍3.50-0.3V和電流密度7μA/cm2時(shí)，該薄膜電極比容量保持在600mAh/g以上。上述性能表明Sb3N薄膜電極是一種新型的陽極材料，可應(yīng)用于薄膜鋰離子電池。
本發(fā)明中，在鍍有金的玻璃上制得的Sb3N薄膜電極電化學(xué)反應(yīng)后，薄膜電極的透射率降低，變?yōu)楹谏?br>

圖1為Sb3N薄膜的XPS譜圖。
圖2為Sb3N薄膜的表面形貌。
圖3為Sb3N薄膜的充放電曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1在不銹鋼片上，玻璃上與鍍有金的玻璃上Sb3N薄膜采用反應(yīng)性射頻磁控沉積法制備。濺射腔由一個(gè)渦輪分子泵和一個(gè)機(jī)械泵抽真空直到小于0.5mPa，采用金屬銻作為濺射靶。反應(yīng)氣體為氮?dú)猓练e薄膜過程中的氣體壓強(qiáng)保持在0.7～5Pa。濺射電源的功率為40瓦，并且保持沉積片和靶之間的距離為5厘米。先濺射半小時(shí)以除去靶上的污染，Sb3N薄膜分別沉積在不銹鋼片、玻璃和鍍有金的玻璃上?；瑴囟葹?00℃，沉積時(shí)間為4小時(shí)，射頻放電時(shí)，環(huán)境N2氣體呈紫紅色。
沉積在玻璃上的Sb3N薄膜為無色透明。由X-射線衍射測(cè)定表明沉積的薄膜為無定形結(jié)構(gòu)。X射線光電子能譜顯示了N與Sb的峰，N的含量估計(jì)為25％。由掃描電鏡照片測(cè)定表明由射頻磁控反應(yīng)性沉積制得的Sb3N薄膜粒子分布均勻，無針孔。
Sb3N薄膜電極的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如下1、Sb3N薄膜電極可在7μA/cm2充放電速率下進(jìn)行充放電循環(huán)。在不同電壓范圍0.01-3.0V，第一次放電容量可達(dá)748mAh/g，循環(huán)近50次容量基本無可逆容量衰減。充放電循環(huán)次數(shù)均可達(dá)到50次以上。見圖3所示。
2、Sb3N薄膜電極的循環(huán)伏安測(cè)試顯示在第一次放電過程中，能觀察到四個(gè)放電電位峰，分別在1.45V，1.05V，0.81V和0.77V。第二次循環(huán)后，有三個(gè)放電電位峰在1.7V，1.2V和0.8V左右。然而所有的充電過程中都能觀察到有兩個(gè)峰分別在1.05V和1.35V.
3.Sb3N薄膜電極電化學(xué)反應(yīng)后，在鍍有金的玻璃薄膜能觀察到透明的Sb3N薄膜變?yōu)楹谏Ｍ干潆娮语@微鏡(TEM)和選區(qū)電子衍射(SAED)顯示了放電后生成了金屬Sb和Li3N。
4.Sb3N薄膜電極電化學(xué)反應(yīng)再充電時(shí)，薄膜電極的透射率約有一點(diǎn)提高，用眼仍觀察到黑色的薄膜電極。透射電子顯微鏡(TEM)和選區(qū)電子衍射(SAED)與X射線光電子能譜測(cè)試顯示了金屬Sb的消失，但并未觀察到Sb3N的多晶。
因此，在納米Sb3N薄膜電極可用作鋰離子電池的陽極材料。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池陽極薄膜材料，其特征在于為一種具有納米尺寸的過渡金屬氮化物Sb3N薄膜，薄膜的粒子的直徑為20-50納米，粒子分布均勻。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鋰電池陽極材料的制備方法，其特征在于主族金屬氮化物Sb3N薄膜的制備采用射頻磁控濺射反應(yīng)性沉積法，具體步驟為濺射腔由一個(gè)渦輪分子泵和一個(gè)機(jī)械泵抽真空直到小于0.5mPa，采用金屬銻作為濺射靶，以不銹鋼片或玻璃作為沉積薄膜的基片；反應(yīng)氣體為氮?dú)?，沉積薄膜過程中的氣體壓強(qiáng)保持在0.7Pa～5Pa，濺射電源的功率為30瓦-200瓦，并且保持沉積基片和靶之間的距離為5厘米-10厘米，基片溫度為100℃-400℃，沉積時(shí)間為1-18小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電化學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鋰離子電池陽極薄膜材料Sb
文檔編號(hào)C23C14/54GK101071858SQ20071004150
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者傅正文, 孫乾 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)