[发明专利]一种用于锂离子电池的负极材料V2ON及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属电化学技术领域，具体涉及可用作锂离子电池的负极活性材料及其制备方法。本发明结合直流反应溅射沉积和后退火工艺成功制备了V₂ON薄膜，它的主要特点是V₂ON粒径在100~200nm，厚度在100-700nm，制备方法简单。这种薄膜作为锂离子电池的电极材料具有良好的电化学性能。

背景技术

随着近年来移动电子设备的飞速发展，与电子产品相匹配的小型化长寿命电源的研究越来越受到重视，锂离子电池由于其体积小，重量轻，工作电压高，能量密度大而备受关注。为了研制大容量的锂离子电池，阳极材料的选择尤为重要。目前，最常用的锂离子电池负极材料为石墨，但其比容量只有350mAh/g左右，这使得整个电池的能量密度很难得到较大的提高。寻找新的锂离子负极材料变得非常迫切。

本发明提出结合直流反应溅射沉积和后退火工艺制备的V₂ON薄膜负极材料，是一种具有双阴离子结构的新型负极材料，具有良好充放电性能的高容量电极材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种冲放电性能好、电容量高的用于锂离子电池的负极材料及其制备方法。

本发明提出的用于锂离子电池的负极材料氧氮化钒(V₂ON)负极材料，是一种由晶粒尺寸为100-200nm的颗粒组成的氧氮化钒(V₂ON)薄膜材料，薄膜厚度在100-700nm。经研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能锂离子电池的负极材料。目前为止没有关于这种氧氮化钒(V₂ON)材料用作锂离子电池负极材料的报道。

本发明提出的作为锂离子电池负极材料的氧氮化钒(V₂ON)材料为薄膜形式。

本发明提出用于锂离子电池的氧氮化钒(V₂ON)负极材料的制备方法，具体步骤如下：

用高纯金属V作为靶材，先采用直流反应溅射法在N₂气氛中沉积得到V_xN(1＜x＜2)。靶材和基片之间的距离为5～8cm，溅射功率为40～60W，溅射时保持气压在10^-1～1Pa，沉积时间为10～40min。然后将沉积好的VN样品置入管式炉中进行退火处理，退火温度450--550℃，退火时间5～30min。

本发明中，氧氮化钒(V₂ON)薄膜的晶体结构由透射电子显微镜(JEOL 2010)确定。选区电子衍射(SAED)表明由该方法制得的氧氮化钒薄膜为面心立方结构，空间群为Fm3m。

本发明中，氧氮化钒(V₂ON)薄膜可直接制成锂离子电池薄膜电极。

本发明中，氧氮化钒(V₂ON)薄膜的电化学性能测试采用由三电极组成的薄膜电池系统。其中，氧氮化钒薄膜用作工作电极，高纯锂片分别用作为对电极和参比电极。电解液为1M LiPF₆+EC+DMC(V/V＝1/1)。薄膜电池装配在充氩气的干燥箱内进行。薄膜电池的充放电实验在Land电池测试系统上进行。

本发明中，由直流反应溅射结合后退火工艺在不锈钢片，铂片等多种基片上制得的氧氮化钒(V₂ON)薄膜电极均具有充放电性能，在电压范围0.01～4.0V和电流密度2μA/cm²时，放电反应的平台出现在0.7V(相对于Li/Li⁺)，第二次放电过程与第一次放电过程相比，不可逆放电容量损失为12.9％。第二周以后的循环过程有良好的可逆性，平均每次循环容量衰减仅为。

上述性能表明，由直流反应溅射结合后退火工艺制备的氧氮化钒(V₂ON)薄膜是一种新型的负极材料，可应用于锂离子电池。

附图说明

图1为V₂ON薄膜的在电流密度为2μA/cm²时的充放电曲线。

图2为V₂ON薄膜前50次循环的比容量变化图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

用高纯金属V(99.99％)作为靶材，先采用直流反应溅射法在N₂气氛中沉积得到V_xN(1＜x＜2)。靶材和基片之间的距离为7cm，溅射功率为50W，溅射时保持气压在0.8Pa，沉积时间为20min。然后将沉积好的VN样品置入管式炉中进行500℃退火10min，冷却。

扫描电子显微镜表征结果表明，薄膜中的颗粒粒径在100～200nm，薄膜厚度约为400nm。由电子衍射测定表明，该薄膜晶体结构为面心立方，空间群为Fm3m。将该薄膜作为工作电极，以高纯锂片作为对电极组装成模拟电池。其中电解液为1M LiPF₆+EC+DMC(EC与DMC的体积比为1/1)，电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电在Land电池测试系统上进行。混合物薄膜电极表现出了良好的电化学性能。电池放电平台在0.7V左右，可逆容量达到900mAh/g左右(见图1)，且容量衰减很小(见图2)。