[发明专利]金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及准晶AlCuFe准晶合金材料的制备和应用，特别是一种金属薄膜包 覆AlCuFe准晶合金的制备方法及其应用。

背景技术

开发高容量、高循环型的负极材料是提高锂离子电池性能的重要途径。目前 常用的锂离子负极材料有石墨、Si、钛酸锂、金属负极材料等。其中商用的负极 材料是石墨，其循环性能好，但是理论容量低，仅有400mAh/g。Si具有高的理 论容量，可以达到4000mAh/g，放电电压平台接近纯锂，但是其循环寿命非常低。 钛酸锂具有高的循环寿命，但是其理论容量低，放电平台电压高。金属负极材料 是一些可以与锂组成合金系统的金属或类金属都可作为锂离子电池负极材料。这 些负极材料统称为合金负极材料。与传统的石墨材料相比，合金负极材料有理论 贮锂容量高，储锂电位低的优点。目前用作锂离子电池负极材料的合金材料大多 是锡基合金、铝基合金、硅基合金、锑基合金、镁基合金。

准晶是具有非晶体学旋转对称性的固态有序相。准晶材料同时具有长程准周 期平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，具有五次、八次、十次等旋转对 称轴。由于对称性的限制，准晶材料的结构是一种比较疏松的结构。Al-Cu-Fe 准晶材料是目前为数不多的在室温热力学稳定的二十面体准晶相。这种准晶中含 有大量的锂化物形成元素Al。以典型的Al₆₃Cu₂₅Fe₁₂准晶为例，其理论储锂容量 达到1200mAh/g以上。因此准晶在锂离子电池负极材料方面有很好的应用前景。

目前，AlCuFe准晶已经应用于锂离子电池的负极材料。实验结果表明， AlCuFe准晶材料具有较好的储锂性能，参见：将AlCuFe准晶合金用于锂离子电 池负极材料的方法，中国专利申请号：201510033469.X。

AlCuFe准晶材料具有较好的储锂性能，但是其循化稳定性有待提高。之所 以循环稳定性差，其原因在于准晶合金在充放电过程中，伴随的锂原子在合金中 的嵌入和脱出，合金基体的体积发生了比较大的变化。另外准晶合金本身导电性 不是很好。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种金属薄膜包覆 AlCuFe准晶合金的制备方法及其应用，将金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金用作锂离 子电池负极材料，可拓展铝基合金用作锂离子电池材料的使用范围，满足人们对 高容量小体积锂离子电池的需要。

本发明的技术方案：

一种金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金的制备方法，将AlCuFe准晶合金粉末通过 化学镀或磁控溅射法在准晶合金粉末表面包覆金属薄膜，金属薄膜的厚度为 10-1000nm，包覆金属薄膜的材料为Cu、Ni、Co和Mn中的一种或两种以上任意比 例的混合物；所述AlCuFe准晶合金由Al、Cu和Fe组成，各元素的质量百分比含量 为：Cu25-45％、Fe12-20％、Al为余量。

一种所制得的金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金的应用，用于制备锂离子电池的 负极材料，方法如下：

1)将金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金粉末与导电剂、粘结剂、分散剂混合得 到混合粉料，然后将混合粉料加入溶剂中并混合均匀，得到粘度为2000-10000cp 的电极浆料，所述导电剂为比表面积为10-3000m²/g的导电炭黑，粘结剂为丁苯 橡胶，分散剂为羟甲基纤维素，溶剂为去离子水；金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金 粉末与导电剂、粘结剂、分散剂的质量比为70-90：2-15：1-3：1-3，混合粉料 与溶剂的质量比为1：0.5-3；

2)将上述电极浆料均匀涂覆在集流体表面，烘干后制得锂离子电池的负极 片，所述集流体为铜箔或泡沫镍，电极浆料在集流体表面的涂覆量为1-10mg/cm²。

本发明提出对AlCuFe准晶粉末表面包覆一层金属薄膜。这一方面可以改善 准晶合金粉末的电子导电性，另一方面金属薄膜的存在可以保护准晶合金，控制 合金粉末表面的SEI膜，控制锂原子在准晶中的扩散，从而达到改善准晶合金循 环性能的目的。本发明提出将金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金应用于锂离子电池 负极材料，充分利用准晶材料的特殊原子排列方式和金属薄膜包覆的保护作用， 最终使得合金具有良好的循环特性和高的储锂容量。