[发明专利]一种用于锂离子电池的负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池的负极材料及其制备方法。

技术背景

电子技术的不断发展推动各种电子产品向小型化发展，如便携电话、微型相机、笔记本电脑等的推广普及。电子产品的小型化发展必须伴随着电源的小型化。传统铅酸电池容量不高，因此，具有体积小、重量轻、工作电位高、能量密度大的锂离子电池备受关注。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，商品化的锂离子阳极材料是石墨，其理论容量为372 mAh/g，这使得整个锂离子电池的能量密度很难得到较大的提高。寻找新的锂离子阳极材料变得尤为迫切。

本发明提出的脉冲激光沉积法制备的纳米三氧化二铋材料，在嵌锂过程中能有12个Li离子与之发生反应，因此是一种具有较高容量的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能进一步提高锂离子电池能量密度的锂离子电池负极材料及其制备方法。

本发明提出的锂离子电池的负极活性材料，是一种纳米三氧化二铋薄膜，该纳米三氧化二铋具有a-型斜方结构。经研究表明，此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。迄今为止，没有有关三氧化二铋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三氧化二铋为薄膜形式，其薄膜厚度为0.2-0.5 μm。

本发明还提出三氧化二铋纳米薄膜材料的制备方法。具体采用脉冲激光沉积法，其步骤如下：将三氧化二铋粉末研磨后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，薄膜的沉积在不锈钢反应腔内进行，采用不锈钢作为基片。先将不锈钢腔体抽至1-0.1Pa或更高真空度，气压由电容薄膜压力计测定。由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064 nm基频经三倍频后获得355 nm脉冲激光，重复频率10 Hz，脉宽10 ns，能量密度为2-5 J/cm²。激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶和基片的距离为25-50 mm，在室温下沉积0.2-1小时。

本发明提出的三氧化二铋纳米薄膜材料可直接制成锂离子电池薄膜电极。电池的充放电实验在蓝电（Land）电池测试系统上进行。根据三氧化二铋的充放电行为，结合容量计算公式：n*96485*10³/(M*3600)，其中，n为电子数，M为物质的摩尔分子质量，得出纳米三氧化二铋的放电容量为690 mAh/g，是石墨负极材料的1.855倍。

本发明的优点在于该纳米材料容量较高，该材料的制备过程不需要传统电极材料的高高温反应或高能球磨，因此制备方法简单。

附图说明

图 1为 三氧化二铋及其电极的XRD图谱。其中，（a） Bi₂O₃粉末；（b） Bi₂O₃薄膜；（c）放电至0 V；（d）充3.0 V (* 是不锈钢基片的峰)。

图 2为三氧化二铋薄膜扫描电镜图。其中，（a）初始薄膜，（b）放电至0 V，（c）充电至3.0 V 。

具体实施方式

本发明中，三氧化二铋粉末研磨后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，颜色为浅黄色，薄膜的沉积在不锈钢反应腔内进行。采用不锈钢作为基片。纳米三氧化二铋薄膜的厚度与沉积的时间、靶与基片的距离以及脉冲激光能量能量有关。沉积时间长，靶与基片距离适中，脉冲激光能量高，沉积速率快，得到的薄膜厚度大。

实施例1

靶和基片的距离为40 mm。由Nd: YAG激光器产生的基频经三倍频后获得355 nm脉冲激光。激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，能量密度为4 J/cm²，在室温下沉积0.5小时，纳米三氧化铋薄膜厚度为50 μm。

实施例2

靶和基片的距离为50 mm。由Nd: YAG激光器产生的基频经三倍频后获得355 nm脉冲激光。激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，能量密度为3 J/cm²，在室温下沉积0.5小时，纳米三氧化铋薄膜厚度为20 μm。

实施例3