锂离子电池负极用铝锡合金薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池负极用铝锡合金薄膜的制备方法，包括下述步骤：（１）选用作为薄膜电极集流体的金属箔作为磁控溅射的基底，并进行基底清洗；（２）调节溅射室气压至１．０×１０↑［－３］Ｐａ或以上，然后通入惰性气体并调节气压在０．１～１０Ｐａ范围；（３）磁控溅射制备铝锡合金薄膜，需调节溅射功率在１０Ｗ～５ｋＷ范围，溅射类型为直流磁控溅射或射频磁控溅射，溅射沉积时间在１０～６０分钟范围。由上述方法制备的锂离子电池负极用铝锡合金薄膜由固溶体合金材料铝锡合金构成，所述铝锡合金中锡的含量为２５～７５％，其余为铝。本发明专利技术操作工艺简单，成本低，效率高，无副产物；制备出的薄膜电极材料晶粒均匀细小，结晶度和力学性能良好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池负极材料技术，特别涉及一种锂离子电池负极 用铝锡合金薄膜及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池已成为21世纪重要的新型能源之一，广泛应用于各种便携 式电子产品和电动工具等领域，并有望成为未来混合动力汽车和纯电动汽 车的能源供给之一。负极材料是锂离子电池综合性能优劣的关键因素之 一，目前商业化碳负极材料虽然具有较好的循环性能，但是由于其较低的 比容量(理论比容量372 mAh/g)和较差的倍率放电性能，远不能满足未 来高容量长寿命电子设备的需求。近年来，金属及合金类材料是研究得较多的新型高效储锂负极材料体 系，其中铝和锡因其具有比碳材料高得多的比容量(理论比容量分别为 2234mAh/g， 994mAh/g)而备受关注。另外，铝合金具有比强度和比刚 度高、高温性能好、耐磨性和耐疲劳性好、热膨胀系数低等优点。利用铝 合金的优点将其用作锂离子电池负极材料对于提高电极的循环性能有很 大帮助。纯铝或纯锡在作为锂离子电池负极材料时，由于锂离子的嵌脱及电解 液的"侵入"，电极在锂嵌脱过程中会产生很大的体积变化，引起铝或锡 等锂活性物质的机械分裂，导致电极逐渐崩塌粉化失效。针对这种缺点， 目前的研究主要集中在复合氧化物和合金材料两个方面，而合金材料大多 采用活性和非活性元素形成的合金材料作为锂离子电池负极材料，如锡镍 合金。这类材料在锂离子嵌入和脱出的过程中会形成活性和非活性物质结 构的材料，活性物质与锂反应提供能量，非活性物质充当"缓冲体"维持 电极的基本结构保证电极的循环寿命。很显然，在引入非活性材料时，虽 然循环性能有较大改善，但是存在其电极容量减少的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种在提高电极循环性 能的同时增大电极容量的锂离子电池负极用铝锡合金薄膜。本专利技术的另一目的在于提出一种操作工艺简单，成本低，效率高，无 副产物的制备上述锂离子电池负极用铝锡合金薄膜的的方法。本专利技术的目的通过下述技术方案实现 一种锂离子电池负极用铝锡合 金薄膜，由固溶体合金材料铝锡合金构成，所述铝锡合金中锡的含量为25~75%，最好为50%，其余为铝；铝锡合金薄膜的厚度在50 200pm范围， 最好为100nm。上述锂离子电池负极用铝锡合金薄膜采用磁控溅射技术制备，具体方法包括下述步骤(1) 选用作为薄膜电极集流体的金属箔作为磁控溅射的基底，并进 行基底清洗；(2) 调节溅射室气压至1.0X10—spa或以上，然后通入惰性气体并调 节气压在0.1 10Pa范围；(3) 磁控溅射制备铝锡合金薄膜，调节溅射功率在10W 5KW范围 内沉积薄膜，沉积时间在10 60分钟范围。步骤(1)所述的作为薄膜电极集流体的金属箔为铜箔、铝箔或其他 金属箔。步骤(1)中对基底的清洗处理是先将基底置于金属清洗剂(可以 选用STC-M101高效水基金属清洗剂)配制的浓度为3 10%的溶液中浸 泡，再放入去离子水中浸泡清洗，然后将基底进行干燥后放入溅射室基底 基座上，最后对基底表面进行反溅处理；除去基底表面的微尘、油污等杂 质。步骤(2)所述的惰性气体为氩气或其他惰性气体，所述通入惰性气体后调节的气压最好为lPa 3Pa。步骤(3)所述磁控溅射类型可以为直流磁控溅射或射频磁控溅射。 所述磁控溅射具体操作方式可为垂直溅射或共溅射，且垂直溅射采用的靶材为一个铝锡合金靶材，其铝的质量百分比为25 75% (最好为50%);共溅射采用的靶材为分别安装在两个不同靶材基座上的铝单体靶材和锡单体靶材。由上述方法即可制得本专利技术锂离子电池负极用铝锡合金薄膜。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果 (1 )本专利技术提出的用磁控溅射技术制备出锂离子电池负极用铝锡合 金薄膜在提高电极循环性能的同时增大电极容量，相对于文献中报道的纯 锡电极，电极容量能提高40%左右，循环性能也有很大改善。具有充放电 容量高，循环性能好的优点。(2) 本专利技术提出的铝锡合金是一种固溶体合金，相对于现有的一般非固溶体合金，不会存在因材料本身引起电极容量降低问题，且这种经过 "固溶强化"的合金材料具有很好的力学强度。(3) 本专利技术提出的锂离子电池负极用铝锡合金薄膜采用磁控溅射技 术制备。相对于现有的合金薄膜电极制备方法，如电化学沉积法、球磨法、 高温固相法等制备方法，采用磁控溅射制备薄膜电极材料具有操作工艺简 单，成本低，效率高，无副产物等优点，制备出的薄膜电极材料晶粒均匀 细小，结晶度和力学性能良好。附图说明图1为本专利技术中铝锡合金薄膜的X射线衍射图。 图2为本专利技术中铝锡合金薄膜的表面形貌图。具体实施例方式下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细说明，但专利技术的实施方式不 限于此。在以下实施例中，工作电极为制备得到的薄膜电极切成8mmx8mm后 的正方形片，对电极为纯锂片，电解液为含lMLiPF6/EC:DMC:EMC4:l:l 的溶液，隔膜为微孔聚丙烯膜Cdgard-2300，最后在充有氩气的手套箱(含 水量和含氧量均低于lppm)中装配成CR2016型扣式电池。所使用的磁控溅射系统为中国科学院沈阳科学仪器有限公司生产的 JGP560型超高磁控溅射系统。溅射靶材采用欧莱(深圳)溅射靶材有限公 司生产的单体靶材及合金靶材。电池充放电测试系统采用武汉金诺电子有 限公司生产的蓝电(Land)电池测试系统。在电池充放电测试系统上采用恒流充放电测试，充放电电流为0.03mA，充放电电压范围控制在0-2.5V之间。 实施例l采用尺寸为O40mmx3mm纯Sn单体靶材(纯度为99.9%)，溅射前溅射 室内初始气压为1.0X10^Pa。在室温下，通入氩气，使得溅射室内溅射气 压为3.0Pa。调节射频电源功率为200W，在铜箔上沉积纯Sn薄膜，沉积时 间10分钟。将制备的薄膜电极按前面所述方法装配成CR2016型扣式电池。电化学 测试表明，依据本专利技术的磁控溅射方法制备出的Sn薄膜电极的首次充电容 量为660mAh/g，放电容量为570mAh/g, 30次循环后容量保持在550mAh/g， 容量保持率为83%，充放电效率维持在90°%。将所制备的样品进行X射线衍射物相分析，结果发现射频磁控溅射制 备的锡薄膜是一种多晶。实施例2采用尺寸为0)40mmx3mm纯Sn单体靶材(纯度为99.9%)，溅射前溅射 室内初始气压为1.0X10 a。在室温下，通入氩气，使得溅射室内溅射气 压为0.1Pa。调节直流电源功率为10W，在铜箔上沉积纯Sn薄膜，沉积时间 30分钟。将制备的薄膜电极按前面所述方法装配成CR2016型扣式电池。电化学 测试表明，依据本专利技术的磁控溅射方法制备出的Sn薄膜电极的首次充电容 量为781mAh/g，首次放电容量为500Ah/g， 30次循环后容量保持在 100mAh/g,容量保持率为13%，充放电效率维持在905^。实施例3采用尺寸为O40mmx3mm，元素质量比Al:Sn-l:3的AlSn合金靶材(纯 度为99.95%)，溅射前溅射室内初始气压为1.0X10"Pa。在室温下，通入 氩气，使得溅射室内溅射气压为3.0Pa。在室温，氩气氛围条件下，调节射 频电源功率为200W，在铜箔上沉积AlSn薄膜，沉积时间10分钟。将制备的薄膜电极按前面所述方法装配成CR2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池负极用铝锡合金薄膜的制备方法，其特征在于包括下述步骤：　（１）选用作为薄膜电极集流体的金属箔作为磁控溅射的基底，并进行基底清洗；　（２）调节溅射室气压至１．０×１０↑［－３］Ｐａ或以上，然后通入惰性气体并调节气压在０．１～１０Ｐａ范围；　（３）磁控溅射制备铝锡合金薄膜，调节溅射功率在１０Ｗ～５ＫＷ范围内，沉积时间在１０～６０分钟范围内。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余洪文，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]