專(zhuān)利名稱(chēng)：BiFeO₃鋰離子電池陽(yáng)極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種鋰離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，特別涉及ー種BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
自1859年Gaston Plante提出鉛-酸電池概念以來(lái)，化學(xué)電源界一直在探索新的高比能量、循環(huán)壽命長(zhǎng)的二次電池。1990年日本SONY公司率先研制成功并實(shí)現(xiàn)商品化的鋰離子電池，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、空間技術(shù)、國(guó)防エ業(yè)等多方面展示了廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益，迅速成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。開(kāi)發(fā)鋰離子電池的關(guān)鍵之ー是尋找合適的陽(yáng)極材料，使電池具有足夠高的鋰嵌入量和很好的鋰脫嵌可逆性，以保證電池的高電壓、大容量和長(zhǎng)循環(huán)壽命。碳材料因具有較高的比容量已在商業(yè)鋰離子電池中得到應(yīng)用，并展示出良好的電化學(xué)行為，但仍然存在理論容量低的缺陷。自從P. PoiZOt等報(bào)道了以其他過(guò)渡金屬氧化物如FeO、CoO, MoO, Cu2O等作為鋰離子二次電池陽(yáng)極材料的電化學(xué)性能以來(lái)，其他過(guò)渡金屬氧化物和鐵氧體例如ZnFe2O4, CoFe2O4等也逐漸成為研究的熱點(diǎn)，而且這些材料表現(xiàn)出較高的質(zhì)量比容量。然而鋰離子電池能否成功應(yīng)用，關(guān)鍵在于能可逆地嵌入脫嵌鋰離子的陽(yáng)極材料的制備。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了ー種BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，制備的BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料能夠?qū)崿F(xiàn)電池的高容量充放電，并且循環(huán)壽命長(zhǎng)。本發(fā)明的BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，包括以下步驟
1)將BiFeO3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的BiFeO3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入惰性氣體，利用磁控濺射法在銅片上沉積BiFeO3薄
膜；
5)將沉積了BiFeO3薄膜的銅片在真空條件下550 650で退火，冷卻后得到BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料。進(jìn)ー步，所述步驟3)中，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)。進(jìn)ー步，所述步驟4)中，惰性氣體為氬氣，氣壓為1. OPa，沉積速率為0. 2 nm/s，沉積厚度為500nm。進(jìn)ー步，所述步驟5)中，真空度為8.0X 10_4 Pa，退火溫度為600°C，退火時(shí)間為I小吋。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利用磁控濺射的方法在銅片上沉積BiFeO3薄膜，并且利用了高溫真空退火的方法，有效提高了 BiFeO3的結(jié)晶程度，同時(shí)在BiFeO3表面可以形成大量的孔洞，從而使其具有良好傳輸鋰離子的獨(dú)特物理性質(zhì)，而且鋰離子的傳輸不易破壞BiFeO3良好的結(jié)晶程度，因此將其作為鋰離子電池陽(yáng)極材料，不但可以提高電池的實(shí)際容量，而且可以大大地延長(zhǎng)循環(huán)使用壽命；本發(fā)明制備的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料能夠?qū)崿F(xiàn)電池的長(zhǎng)壽命、高容量，能夠用于各種電子器件的理想鋰離子電池。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖1為實(shí)施例1、比較例I和比較例2制備得到的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的XRD
圖2為實(shí)施例1、比較例I和比較例2制備得到的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的SEM平面及截面圖； 圖3為實(shí)施例1、比較例I和比較例2的三個(gè)鈕扣式鋰離子電池的CV曲線(xiàn)；
圖4為實(shí)施例1、比較例I和比較例2的三個(gè)鈕扣式鋰離子電池的前十次充放電循環(huán)曲
線(xiàn)；
圖5為實(shí)施例1的鈕扣式鋰離子電池的前三次充放電循環(huán)曲線(xiàn)；
圖6為實(shí)施例1的鈕扣式鋰離子電池在不同放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)；
圖7為實(shí)施例1的鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)；
圖8為實(shí)施例1、比較例I和比較例2的三個(gè)鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)；
圖9為實(shí)施例1、比較例I和比較例2的三個(gè)鈕扣式鋰離子電池在充放電前和充放電后的 impedance 曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例1
實(shí)施例1的BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，包括以下步驟
1)將BiFeO3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的BiFeO3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再將銅片放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入氬氣，氣壓為1.OPa，利用磁控濺射法在銅片上沉積BiFeO3薄膜，沉積速率為0. 2 nm/s,沉積厚度為500 nm ；
5)將沉積了BiFeO3薄膜的銅片在真空度為8. OX 10_4 Pa的真空條件下600°C退火I小時(shí)，冷卻后得到BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料。比較例I
比較例I的BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，包括以下步驟
1)將BiFeO3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的BiFeO3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；3)將銅片作為基片，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再將銅片放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入氬氣，氣壓為1.OPa，利用磁控濺射法在銅片上沉積BiFeO3薄膜，沉積速率為0. 2 nm/s,沉積厚度為500 nm ；
5)將沉積了BiFeO3薄膜的銅片在真空度為8. OX 10_4 Pa的真空條件下300°C退火I小時(shí)，冷卻后得到BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料。比較例2
比較例2的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，包括以下步驟
1)將BiFeO3粉末壓制成靶材；
2)將壓制成的BiFeO3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；
3)將銅片作為基片，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再將銅片放入磁控濺射腔體內(nèi)；
4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入氬氣，氣壓為1.OPa，利用磁控濺射法在銅片上沉積BiFeO3薄膜，沉積速率為0. 2 nm/s，沉積厚度為500 nm ;得到BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料。圖1為實(shí)施例1、比較例I和比較例2制備得到的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的XRD圖，如圖1所示，實(shí)施例1和比較例I的BiFeO3-M了高溫真空退火，有效提高了 BiFeO3的結(jié)晶程度，特別實(shí)施例1的BiFeO3具有良好的結(jié)晶程度。圖2為實(shí)施例1、比較例I和比較例2制備得到的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的SEM平面及截面圖，如圖2所示，其中圖2(a)和(b)為比較例2的平面SEM圖，圖2 (c)和(d)為比較例I的平面SEM圖，圖2(e)和(f)為實(shí)施例1的平面SEM圖，圖2(g)和(h)為BiFeO3薄膜的截面圖。由圖2可以看出，實(shí)施例1和比較例I的BiFeO3經(jīng)過(guò)了高溫真空退火，在BiFeO3表面形成了大量微觀(guān)孔洞，特別實(shí)施例1的孔洞更為明顯，這種孔洞實(shí)現(xiàn)了足夠高的鋰嵌入量和很好的鋰脫嵌可逆性。分別將實(shí)施例1、比較例I和比較例2制備得到的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料作為工作電極，鋰片作為對(duì)電極，制備成三個(gè)鈕扣式鋰離子電池。圖3為三個(gè)鈕扣式鋰離子電池的CV曲線(xiàn)，如圖3所示，可以看出，比較例I和比較例2所制備的BiFeO3的還原峰都比實(shí)施例1的要強(qiáng)。這充分說(shuō)明，實(shí)施例1所制備的BiFeO3有更加容易的鋰脫嵌可逆性。圖4為三個(gè)鈕扣式鋰離子電池的前十次充放電循環(huán)曲線(xiàn)，如圖4所示，比較例I和比較例2所制備的BiFeO3在前十次充放電中，容量衰減嚴(yán)重，而實(shí)施例1所制備的BiFeO3從第二次充放電開(kāi)始幾乎沒(méi)有容量衰減。圖5為實(shí)施例1的鈕扣式鋰離子電池的前三次充放電循環(huán)曲線(xiàn)，如圖5所示，由該圖可知，實(shí)施例1所制備的BiFeO3不管是在小電流密度充放電還是大電流密度充放電，從第二次循環(huán)開(kāi)始，其容量幾乎不會(huì)有衰減，并且放電平臺(tái)電壓在0. 75 V左右。圖6為實(shí)施例1的鈕扣式鋰離子電池在不同放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)，如圖6所示，可見(jiàn)實(shí)施例1所制備的BiFeO3在不同放電倍率下，其容量都很穩(wěn)定。圖7為實(shí)施例1的鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)，如圖7所示，可見(jiàn)，在小電流充放電時(shí)，其容量隨充放電循環(huán)不斷増大，在大電流充放電時(shí)，其循環(huán)壽命相當(dāng)長(zhǎng)，在充放電2500次后， 容量幾乎沒(méi)有一點(diǎn)衰減。
圖8為三個(gè)鈕扣式鋰離子電池在同一放電倍率下的容量——循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)，如圖8所示，可見(jiàn)，比較例I和比較例2所制備的扮？603衰減很?chē)?yán)重，實(shí)施例1在充放電循環(huán)1000次后，容量衰減到初始值的80 %，其容量保持能力較好。圖9為三個(gè)鈕扣式鋰離子電池在充放電前和充放電后的impedance曲線(xiàn)，如圖9所示，比較例1、比較例2和實(shí)施例1所制備的BiFeO3的阻抗在充放電循環(huán)之后都相應(yīng)變大。這是因?yàn)殡S著鋰離子的嵌入和脫嵌，BiFeO3的結(jié)晶有所破壞所導(dǎo)致。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以證明，實(shí)施例1通過(guò)磁控濺射沉積BiFeO3薄膜然后600°C高溫真空退火的方法制備得到BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料，該陽(yáng)極材料具有良好的結(jié)晶程度，同時(shí)在BiFeO3表面形成了大量的孔洞，從而提高了電池的實(shí)際容量，延長(zhǎng)了電池的循環(huán)使用壽命；而沒(méi)有經(jīng)過(guò)退火處理和經(jīng)過(guò)300°C真空退火處理的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料，在電池的實(shí)際容量、電池的循環(huán)使用壽命等方面均相對(duì)較差。本發(fā)明中，磁控濺射エ藝參數(shù)可以為常規(guī)的磁控濺射鍍膜參數(shù)，沉積厚度可以隨機(jī)控制；而真空退火的溫度需要控制在55(T650°C之間，最優(yōu)選的退火溫度為600°C。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍。`
權(quán)利要求
1.ー種BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)將BiFeO3粉末壓制成靶材； 2)將壓制成的BiFeO3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)； 3)將銅片作為基片，放入磁控濺射腔體內(nèi)； 4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入惰性氣體，利用磁控濺射法在銅片上沉積BiFeO3薄膜； 5)將沉積了BiFeO3薄膜的銅片在真空條件下550 650で退火，冷卻后得到BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，其特征在于所述步驟3)中，先用稀鹽酸清洗去除銅片表面的氧化層，再銅片將放入磁控濺射腔體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BiFeO3-離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，其特征在于所述步驟4)中，惰性氣體為氬氣，氣壓為1. OPa，沉積速率為0. 2 nm/s，沉積厚度為500 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，其特征在于所述步驟5)中，真空度為8.0X 10_4 Pa，退火溫度為600°C，退火時(shí)間為I小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料的制備方法，包括以下步驟1)將BiFeO3粉末壓制成靶材；2)將壓制成的BiFeO3靶材裝入磁控濺射腔體內(nèi)；3)將銅片作為基片，放入磁控濺射腔體內(nèi)；4)將磁控濺射腔體內(nèi)抽真空后充入惰性氣體，利用磁控濺射法在銅片上沉積BiFeO3薄膜；5)將沉積了BiFeO3薄膜的銅片在真空條件下550~650℃退火，冷卻后得到BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料。本發(fā)明制備得到的BiFeO3鋰離子電池陽(yáng)極材料具有良好傳輸鋰離子的獨(dú)特物理性質(zhì)，而且鋰離子的傳輸不易破壞BiFeO3良好的結(jié)晶程度，不但可以提高電池的實(shí)際容量，而且可以大大地延長(zhǎng)循環(huán)使用壽命。
文檔編號(hào)H01M4/52GK103066277SQ20131000880
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者李長(zhǎng)明, 孫柏 申請(qǐng)人:西南大學(xué)