[发明专利]锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，特别涉及一种用作锂离子电池的负极、具有高比容量和高循环稳定性的锡/碳纳米多层薄膜材料及其制备方法和应用。

技术背景

锂离子电池具有电压高、比能量高、寿命长、自放电小和无记忆效应等优势，已广泛应用于光电、信息、交通和国防军事等领域。锂离子电池随着其用途的不断扩展，已经成为现代和未来重要的新能源之一。

负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素，因此，积极探索比容量高、循环寿命长、安全性能好并温度适用范围宽的新型锂离子电池负极材料体系，已经成为当前国际上研究开发高性能锂离子电池材料的关键共性问题。

目前，商业化碳负极材料存在的主要问题是：(1)实际比容量低，约为300～330mAh/g；(2)由于锂不可逆地嵌入晶格以及消耗于形成固体电解质界面(SEI)膜，导致较大的初期不可逆容量损失；(3)受锂离子(Li⁺)扩散系数(约10^-10cm²/s)的限制，其倍率放电性能差。

尽管人们通过对碳材料进行掺杂改性或表面处理，但是由于碳材料较低的理论比容量(372mAh/g)，仍然限制了实际比容量的大幅度提高。

锡基负极材料具有高比容量和低成本的优势，现已成为目前国际上研究的主流负极材料之一。锡(Sn)与锂(Li)可形成高原子比的Li₂₂Sn₅合金相，具有高达990mAh/g的理论比容量，这是开发高性能锡负极材料的基础。但是，目前锡负极材料存在的主要问题是，锡基体在Li⁺嵌脱过程中产生巨大体积变化，从而引起锡基体的机械分裂，导致变形与开裂，从而逐渐崩塌并粉化失效，表现出较差的充放电循环性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种具有高比容量和高循环稳定性的锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料。

本发明的另一目的在于提供一种制备上述锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料的方法。

本发明的再一目的在于提供上述锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料的应用。

本发明的目的通过下列技术方案实现：一种锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)基片、锡靶和石墨靶以及真空镀膜室的预处理；

(2)基片、锡靶和石墨靶放入真空镀膜室，抽真空后向真空室中通入氩气；

(3)打开直流电源，轰击基片；

(4)打开射频电源，预溅射靶材；

(5)正式溅射镀膜，交替沉积锡层和碳层；

(6)随炉冷却，即得到本产品。

上述锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料的制备方法中，所述基片是指铜箔；所述锡靶纯度99.9％以上；所述石墨靶纯度99.9％以上且石墨靶镶嵌铜基座；所述基片的预处理是按顺序用无水丙酮超声波清洗、去离子水漂洗、稀硫酸漂洗、去离子水漂洗并吹干；所述锡靶、石墨靶和真空镀膜室的预处理是指采用无水丙酮搽洗。

步骤(2)所述抽真空是指真空度≤2×10^-3Pa，所述氩气纯度在99.999％以上。

步骤(3)所述轰击基片是在80～160W功率轰击基片5～10min。

步骤(4)所述预溅射靶材是100～200W功率预溅射靶材5～10min。

步骤(5)所述溅射镀膜，交替沉积锡层和碳层是指先采用射频或直流磁控溅射锡靶，获得一定厚度的纯锡膜层；经冷却后，再在所获得的锡膜上采用射频或直流磁控溅射石墨靶；如此反复，制备若干个调制周期，在真空室一次性完成锡/碳纳米多层结构薄膜的制备。所述射频或直流磁控溅射的功率为100～400W；时间取2～30min。所述一定厚度为：0～3μm；所述若干个调制周期是指：1～10个调制周期。

由上述方法制备得到的锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料具有金属锡层和石墨层交替堆积而成的多层结构。

由上述方法制备得到的锂离子电池锡/碳纳米多层膜负极材料可应用于制备锂离子电池；以一种扣式锂离子电池为例，具体应用方式是：将锡/碳纳米多层膜作为锂离子电池的电极，以纯锂片为对电极、含锂离子的常规有机电解液为电解液、微孔聚乙烯或聚丙烯膜为隔膜，即组装成一种扣式锂离子电池。