[发明专利]氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法、全固态薄膜的锂离子电池正极以及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法、全固态薄膜的锂离子电池正极以及锂离子电池，涉及锂离子电池的技术领域，本发明氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法包括如下步骤：通过磁控溅射制备非晶五氧化二铌薄膜，并在制备过程中进行氮掺杂，得到体相氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜。本发明制备方法得到的氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜致密、均匀并且具有明显提高的电子电导率，可以解决五氧化二铌薄膜由于电子电导率较差而无法发挥电极性能的问题。由该薄膜制备得到的锂离子电池的各层薄膜轮廓分明且具有较好的充放电可逆性、较好的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法、全固态薄膜的锂离子电池正极以及锂离子电池。

背景技术

在即将到来的物联网时代，随着微电子器件的微型化以及可穿戴电子产品的兴起，人们对微型、高安全性、可折叠弯曲的电池的需求越来越大，开发全固态薄膜锂离子电池成为储能领域研究的前沿之一。

薄膜正极材料是全固态薄膜锂离子电池的重要组成部分，也是国内外科技工作者们的研究重点。目前的全固态薄膜锂离子电池正极材料主要是层状结构的LiCoO₂，具有导电性好、循环稳定性高、制备工艺成熟等优点，然而Co元素有毒且价格昂贵、LiCoO₂的实际比容量较低(～130mAh/g)，并且LiCoO₂需要高温热处理(600℃)才能获得良好的电化学性能，限制了其在芯片内的集成和大规模使用。因此，开发环保、廉价、高比容量、可低温制备的全固态薄膜锂离子正极材料就显得十分重要。

五氧化二铌(Nb₂O₅)具有理论比容量高(约300mAh/g)、结构稳定性好、对环境友好、价格适宜、可快速充放电等优点，是潜在的锂离子电池正极材料。然而，五氧化二铌存在电子电导率较差的问题，限制了其容量的发挥和倍率性能的提高。一方面，现有的技术公开了高结晶的T相五氧化二铌薄膜具有较好的电化学性能(Energy Storage Materials,2019,16,581)，然而其较高的热处理温度容易导致薄膜短路、开裂，限制了薄膜电池的构建和在芯片内的集成；另一方面，现有的技术公开了氮掺杂可以提高五氧化二铌(Nb₂O₅)的导电性(Journal of Alloys and Compounds,2015,25,635)，然而其一般是在管式炉中在氨气氛围下高温烧结得到，该方法不仅工艺繁琐，对设备要求高，而且通常只能对材料的表面造成氮掺杂，对孔隙率较高的粉末材料有效果，而对高致密的薄膜电极材料几乎没有效果。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法，能够制备出致密、均匀并且低结晶度的薄膜产品，其工艺简单，操作灵活。

本发明的目的之二在于提供一种全固态薄膜锂离子电池正极，具有较好的倍率性能和循环寿命。

本发明的目的之三在于提供一种全固态薄膜锂离子电池，该锂离子电池的各层薄膜轮廓分明，具有较好的充放电可逆性、较好的倍率性能和循环寿命。

本发明的目的之四在于提供一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，一种氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜的制备方法，包括如下步骤：

通过磁控溅射制备五氧化二铌薄膜，并在制备过程中进行氮掺杂，得到氮掺杂的非晶五氧化二铌薄膜。

进一步的，所述磁控溅射的靶材为Nb₂O₅，工作气体为氩气和氮气。

进一步的，所述磁控溅射的靶材为纯Nb金属，工作气体为氮气和氧气。