[发明专利]一种碳/金属纳米颗粒复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料和化学电源技术领域，具体涉及制备分散性良好的碳/金属纳米颗粒复合薄膜的方法及其在锂离子电池电极材料领域的应用。

背景技术

在信息技术日新月异以及环境保护日益受到重视的今天，化学电源的发展面临更大的挑战。锂离子电池因为具有能量密度高、输出电压高、使用寿命长、循环性能好、自放电率低、无记忆效应和良好的环境性能等优异特点而获得突飞猛进的发展，产量、产值不断提高，应用领域迅速扩大，在移动电话、笔记本电脑、摄像机等电子产品，电动汽车、电动自行车等交通工具，飞机、卫星、飞船等航空航天器，以及军舰、潜艇等军事装备中都得到了大量使用并具有广阔的发展前景。锂离子电池作为本世纪最主要的二次电源，已进入了人类社会的各个领域，发挥着重要的作用，成为电子、能源、材料领域研究与开发的热点，是最有发展前途的二次电池。

目前，在锂离子二次电池的研究领域，负极材料的研究是最活跃的方向之一。商业化应用的碳负极材料虽然循环寿命长、成本低，但是它的弱点是比容量较低，同时，由于插锂后碳电极的电位与金属锂的电位比较接近，在电池过充时，碳电极表面易析出金属锂，有可能着火甚至爆炸，影响电池的安全性。

对更高比容量及更高安全性的追求，使人们不断地探索可替代碳的负极材料。Sn、Si等元素及其合金具有很高的理论比容量(是石墨材料的几倍到十几倍)，安全性好，是非常有发展潜力的有望替代碳材料的锂离子电池负极材料。但是，这类材料在反复循环过程中，金属经历较大的体积变化，电极内部将产生较大内应力，会逐渐粉化致使结构破坏，循环稳定性差。因此如何解决这一问题具有重要的理论和实践意义。为了提高电极材料的循环性能，首先可以减小颗粒的尺寸，将材料制成纳米或准纳米级的颗粒，因为小颗粒材料在充放电过程中绝对体积变化较小，电极结构的稳定性较高。其次，还可以将得到的合金与碳制成复合材料来进一步提高电极的循环稳定性，因为复合材料一方面可保持合金材料的高容量优势，另一方面碳可以限制合金在嵌脱锂时的体积变化，稳定结构，也可以适当地抑制合金颗粒在充放电过程中的团聚。

现在直接制备碳/金属复合薄膜的方法主要是金属与碳双靶共溅射和碳/金属复合靶溅射两种方法。在双靶共溅射方法中，采用两个独立的电源控制，使金属靶和碳靶同时溅射，得到复合薄膜。这种方法在操作过程中需要两个电源共同作用，虽然可以保证两个物种能够在气相中混合，但是在混合之前的过程中金属颗粒会明显长大无法得到金属颗粒较小的复合膜(Abrasonis G，Krause M，Mucklich A，Sedlackova K，Radnozi G，Kreissig U，Kolitsch A，Moller W.Carbon 2007；45：2995.)。在复合靶溅射方法中，直接制备一个金属与碳的复合靶之后，单靶溅射得到复合薄膜。优势在于只需要单电源单靶溅射，反应装置相对简单。但是在复合靶的制备过程中，由于碳很难熔化，无法采用传统的金属熔炼的方法，因此得到的靶材不能保证完全均匀。在溅射过程中，两个物种在气相不能充分结合，仍然无法10nm以下的金属颗粒，最后得到的薄膜均匀性也很难保证(Kovacs GJ，Bertoti I，Radnoczi G.ThinSolid Films 2008；516：7942.)。上述两种方法都很难得到直径在10nm以下的金属颗粒，而且金属与碳复合的均匀性难以保证，因此如何解决电极材料在充放电过程中的体积变化问题具有重要的理论和实践意义。

发明内容：

本发明的目的是提出一种制备碳框架与金属纳米颗粒复合薄膜的方法，同时将这种薄膜材料引入锂离子电池负极材料体系。

本发明的技术方案如下：

一种碳/金属纳米颗粒复合薄膜的制备方法，将金属靶置于一反应室中，然后通入一定流量的惰性气体和碳源气体，通过射频(RF)溅射制得碳/金属纳米颗粒复合薄膜。

上述惰性气体优选为氩气；上述碳源气体可以是乙炔、乙烯、甲烷等气体或它们的混合气体；其中碳源气体占惰性气体和碳源气体总量的摩尔比优选为2％～20％。

优选的，在上述方法中，反应室内的真空压力控制在1～20Pa，优选1～5Pa；惰性气体和碳源气体的总流量为10～50sccm(标准状态下立方厘米/分钟)，优选25sccm；而射频电源功率为50-150W，进行反应溅射的时间以3-20min为宜。