【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，具体为一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料及其制备方法。
技术介绍
1、随着电子技术的快速发展，大量的便携式设备或微型器件，如微电子机械系统、微型移植医疗系统、智能卡等微型设备，逐步应用于诸多领域。但是，由于电源系统的微型化和集成化程度低，极大限制了超大规模集成电路的发展。为解决上述难题，电源实现微型化和可集成化显得非常必要，然而，二维薄膜锂离子电池由于平面结构限制，单位立足面积电极活性物质少，功率密度低，存在难以满足微型系统供能需求的问题。因此，开发具有高性能的电池正极材料对薄膜锂离子电池更加广泛地应用具有非常重要的意义。研究发现，通过设计具有三维结构的薄膜电极材料，能增加其单位立足面积，显著增大正极材料与电解质的接触面积，进而有效提高电池的功率密度；同时，还能缩短锂离子的扩散距离，从而提高电池的充放电速率。
2、目前，已经有研究者对薄膜锂离子电池电极材料的三维结构进行了不同类型的设计。wang等(electrochemical and solid-state letters，2004，7(11)：a435-a438)采用旋转涂膜的方法将光刻胶涂覆于si/sio2衬底上，再利用光刻技术使光刻胶在衬底上形成圆柱阵列，然后在无氧环境条件下高温热解光刻胶，使之转变为具有三维结构且相互交错的碳柱阵列，之后采用电化学沉积方法在其中一半的碳柱上面沉积正极材料，获得的三维薄膜锂离子电池具有良好的电化学性能，但充放电循环过程中li+的重复脱/嵌易致三维电极容易变形破损。lee等(science，2009，3
3、正极材料是锂离子电池极为重要的组成部分，是影响其电化学性能、安全性能等的关键因素。tian等(journal of power sources，2017，340：40-50)通过水热法制备三维lifepo4/石墨烯气凝胶电极，导电石墨烯网络提供了丰富的路径来促进电子的传输，提高了电极的电化学性能。虽然，通过引入石墨烯能够有效改善lifepo4的电子电导率和锂离子扩散速率，但是通过改性之后其可逆容量以及在较大倍率下的放电性能的提升非常有限。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料及其制备方法，该三元正极材料具有稳定的三维结构，能显著提高薄膜电池的容量和充放电速率。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料，包括ni纳微米管阵列，沉积于ni纳微米管阵列上面的ti-al薄膜，以及沉积于ti-al薄膜上的licoxmnyni1-x-yo2薄膜。
4、进一步地，ni纳微米管阵列的直径为100-500nm，长度为0.5-5μm，柱间距为100-200nm；ti-al薄膜的厚度为10-20nm；licoxmnyni1-x-yo2薄膜的厚度为50-200nm。
5、如上所述的三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，包括：
6、s1：采用磁控溅射方法在ni纳微米管阵列上沉积ti-al薄膜；
7、s2：在ti-al薄膜上沉积licoxmnyni1-x-yo2薄膜；
8、s3：对获得的材料进行真空退火处理，即可得到三维薄膜锂离子电池licoxmnyni1-x-yo2/ti-al/ni三元正极材料。
9、进一步地，步骤s1中选择直流磁控溅射在ni纳微米管阵列上沉积ti-al薄膜，溅射功率为50-100w，溅射气压为0.5-1pa，溅射时间为10-30s。
10、进一步地，步骤s2中选择射频磁控溅射在ti-al薄膜上沉积licoxmnyni1-x-yo2薄膜，溅射功率为50-80w，溅射气压为0.5-1.5pa，溅射时间为15-30min。
11、进一步地，用磁控溅射方法在ni纳微米管阵列上沉积ti-al薄膜时选择纯度为99.99％的ti3al靶；用磁控溅射方法在ti-al薄膜上沉积licoxmnyni1-x-yo2薄膜时选择纯度为99.99％的licoxmnyni1-x-yo2/ti-al/ni靶。
12、进一步地，步骤s3中，在真空度优于1×10-2pa下，于400℃退火1.5-3h。
13、进一步地，ni纳微米管阵列采用阳极氧化铝模板法结合磁控溅射法进行制备，阳极氧化铝模板法的模板选用圆形单通孔aao模板，其表面的通孔直径为100-500nm，孔壁为100-200nm，孔的深度为0.5-5μm，溅射靶材选用纯度为99.999％的ni靶，溅射完毕后选用1-3mol/l的naoh溶液去除aao模板。
14、进一步地，制备ni纳微米管阵列时磁控溅射真空腔室的本地真空度优于8×10-4pa，溅射气压为0.5-1pa，溅射功率为50-100w，溅射时间为1-3h。
15、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
16、(1)本专利技术制备的三维licoxmnyni1-x-yo2/ti-al/ni正极材料，能有效增大电极与电解质的接触面积，极大缩短锂离子的扩散距离，从而显著提高薄膜电池的容量和充放电速率。
17、(2)本专利技术中通过在ni纳微米管阵列上沉积ti-al薄膜，制得licoxmnyni1-x-yo2/ti-al/ni多层薄膜，ti-al薄膜能够在高温下有效阻止ni扩散到licoxmnyni1-x-yo2薄膜中，避免licoxmnyni1-x-yo2的电化学性能受到影响，另外ti-al薄膜还可以增强膜层之间的附着力和导电能力。
18、(3)本专利技术制备的三维licoxmnyni1-x-yo2/ti-al/ni正极材料中ni纳微米管阵列具有三维结构，大大增加了电极材料的比表面积，使更多的li+参与充放电反应；此外，三维结构降低了li+嵌入时需要的能垒，有效改善了动力学性能。经过循环性能测试，licoxmnyni1-x-yo2/ti-al/ni正极材料在经过50次循环后，三维薄膜电极的放电容量基本没有衰减，显示出较好的循环稳定性能。
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1.一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料，其特征在于，包括Ni纳微米管阵列，沉积于Ni纳微米管阵列上面的Ti-Al薄膜，以及沉积于Ti-Al薄膜上的LiCoxMnyNi1-x-yO2薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料，其特征在于，Ni纳微米管阵列的直径为100-500nm，长度为0.5-5μm，柱间距为100-200nm；Ti-Al薄膜的厚度为10-20nm；LiCoxMnyNi1-x-yO2薄膜的厚度为50-200nm。
3.如权利要求1或2所述的三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中选择直流磁控溅射在Ni纳微米管阵列上沉积Ti-Al薄膜，溅射功率为50-100W，溅射气压为0.5-1Pa，溅射时间为10-30s。
5.根据权利要求4所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中选择射频磁控溅射在Ti-Al薄膜上沉积LiCoxMnyNi1-x-yO2薄膜，溅射
6.根据权利要求5所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，用磁控溅射方法在Ni纳微米管阵列上沉积Ti-Al薄膜时选择纯度为99.99％的Ti3Al靶；用磁控溅射方法在Ti-Al薄膜上沉积LiCoxMnyNi1-x-yO2薄膜时选择纯度为99.99％的LiCoxMnyNi1-x-yO2/Ti-Al/Ni靶。
7.根据权利要求6所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在真空度优于1×10-2Pa下，于400℃退火1.5-3h。
8.根据权利要求7所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，Ni纳微米管阵列采用阳极氧化铝模板法结合磁控溅射法进行制备，阳极氧化铝模板法的模板选用圆形单通孔AAO模板，其表面的通孔直径为100-500nm，孔壁为100-200nm，孔的深度为0.5-5μm，溅射靶材选用纯度为99.999％的Ni靶，溅射完毕后选用1-3mol/L的NaOH溶液去除AAO模板。
9.根据权利要求8所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，制备Ni纳微米管阵列时磁控溅射真空腔室的本地真空度优于8×10-4Pa，溅射气压为0.5-1Pa，溅射功率为50-100W，溅射时间为1-3h。
...【技术特征摘要】
1.一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料，其特征在于，包括ni纳微米管阵列，沉积于ni纳微米管阵列上面的ti-al薄膜，以及沉积于ti-al薄膜上的licoxmnyni1-x-yo2薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料，其特征在于，ni纳微米管阵列的直径为100-500nm，长度为0.5-5μm，柱间距为100-200nm；ti-al薄膜的厚度为10-20nm；licoxmnyni1-x-yo2薄膜的厚度为50-200nm。
3.如权利要求1或2所述的三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中选择直流磁控溅射在ni纳微米管阵列上沉积ti-al薄膜，溅射功率为50-100w，溅射气压为0.5-1pa，溅射时间为10-30s。
5.根据权利要求4所述的一种三维薄膜锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中选择射频磁控溅射在ti-al薄膜上沉积licoxmnyni1-x-yo2薄膜，溅射功率为50-80w，溅射气压为0.5-1.5pa，溅射时间为15-30min。
6.根据权利要求5所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈昶，黄兰香，曹凤红，胡育，徐要辉，邓迟，
申请(专利权)人：乐山师范学院，
类型：发明
国别省市：
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