Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池技术

技术编号:15793942 阅读:995 留言:0更新日期:2017-07-10 06:32
本发明专利技术提供了一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池。上述Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料包括:金属衬底;以及形成于金属衬底上方的Si掺杂氮化镓薄膜,具有疏松多孔结构,为晶态与非晶态的混合态。Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的比表面积较大,并且Si

【技术实现步骤摘要】
Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池
本专利技术属于锂离子电池领域与无机化合物半导体材料领域,涉及一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池。
技术介绍
目前,电动汽车等新一批电子产品,对高能量密度、高功率密度能源电池的要求日益迫切。目前已经实际应用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、碳纤维及热解树脂碳等。碳材料通常是无序结构,因其结晶度低、晶粒尺寸小、晶面间距大及与电解液的相容性较好,故广泛应用于锂电池中,但是仍然存在首次充放电不可逆容量较高、首次充放电效率低、循环性能差等问题,目前出于探究阶段的其它新型锂离子电池负极材料也存在首次充放电容量低、无明显的充放电平台电压、循环性能差等问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池,以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面,提供了一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料,包括:金属衬底;以及形成于金属衬底上方的Si掺杂氮化镓薄膜;其中,所述Si掺杂氮化镓薄膜具有疏松多孔结构,为晶态与非晶态的混合态。在本专利技术的一实施例中,上述金属衬底的材料选用铜箔、镍箔、泡沫铜、泡沫镍或预沉积石墨烯缓冲层的铜箔、镍箔、泡沫铜及泡沫镍。在本专利技术的一实施例中,上述Si掺杂氮化镓薄膜的厚度为10μm;和/或所述Si掺杂氮化镓薄膜中Si元素的掺杂比例为10%。根据本专利技术的另一个方面,提供了一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的制备方法,包括:利用射频溅射靶材,在金属衬底上沉积Si掺杂氮化镓薄膜,获得Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料。在本专利技术的一实施例中,上述靶材包括:将氮化镓圆片通过导电银胶水粘在Si板中间,其中,Si板的直径等于靶枪尺寸,氮化镓圆片的直径在溅射区域对应的凹槽最深处附近1cm~3cm内进行变化,组成同心圆结构的混合溅射靶材。在本专利技术的一实施例中,上述制备方法中氮化镓圆片的直径在1.5英寸到2.4英寸之间,优选2英寸。在本专利技术的另一实施例中,上述靶材包括:将Si板通过导电银胶水粘在氮化镓圆片的中间,其中,氮化镓的直径等于靶枪尺寸,Si板的直径在溅射区域对应的凹槽最深处附近1cm~3cm内进行变化,组成同心圆结构的混合溅射靶材。在本专利技术的一实施例中,上述射频溅射的参数为:衬底温度为300℃~500℃;溅射功率为100W;真空度优于1.5*10-7Torr;背景气压为1Pa;氮气流量为10ppm;靶材转动速率为30r/min;沉积时间为1hour。根据本专利技术的再一个方面,提供了一种锂电池,包括上述Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料。在本专利技术的一实施例中,上述锂电池为CR2025型纽扣电池,其首次充电容量为:290mAh/g,放电容量为:350mAh/g,充电平台在0.2V至0.85V之间,放电平台在0.65V至0.02V之间。(三)有益效果从上述技术方案可以看出,本专利技术提供的Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池,具有以下有益效果:制备出来的上述材料具有疏松多孔结构,为晶态与非晶态的混合态,其比表面积较大,并且Si3N4四面体结构及Si3N4四面体与Ga原子构成的稳定的开放性三维框架结构,在增强锂离子输运效率的同时也避免了在锂离子嵌入脱出过程中因结构坍塌导致的电化学活性降低问题,具有较高的储锂容量和稳定的循环特性,为发展高性能锂离子电池提供了新的选择。附图说明图1为六方纤锌矿结构的氮化镓晶体的空间结构示意图。图2为根据本专利技术实施例Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的制备方法流程图。图3(a)为根据本专利技术实施例溅射生长Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的示意图;图3(b)为根据本专利技术实施例自组装溅射靶材沿着半径切开的截面示意图。图4为根据本专利技术实施例制备出来的Si掺杂氮化镓材料的EDX图和对应的成份列表。图5(a)和图5(b)分别为表征本专利技术实施例制备出来的Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的正面SEM图和截面SEM图。图6(a)和图6(b)分别为表征本专利技术实施例制备出来的Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的透射电镜TEM和高分辨透射电镜HRTEM图;图6(c)和图6(d)为选区电子衍射SAED图。图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为根据本专利技术实施例Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料组装的锂离子电池的第一次、第二次和第三次充放电曲线图。具体实施方式氮化镓基材料具有优异的光电性能和稳定的化学性质,是目前材料领域的研究热点之一。氮化镓晶体结构包括纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿,其中六方纤锌矿结构是稳态结构,立方闪锌矿结构是亚稳态结构,立方岩盐矿结构只有在极端高压情况下存在,常见的为氮化镓晶体的六方纤锌矿结构。表1中给出了氮化镓晶体的基本参数,图1为六方纤锌矿结构的氮化镓晶体的空间结构示意图。从表1中可以看出,六方纤锌矿结构的氮化镓晶体具有较宽的直接带隙,在300K时其带隙能量为3.39eV,其晶格常数分别为结合图1来看,其中Ga原子处于六方结构的顶点和上、下面心,作六方密堆积,N原子填充在半数的四面体间隙中,Ga原子与N原子以共价键相连,配位数为4,配对多面体是一个三方单锥,平行于z轴的Ga-N键长大于另外3个Ga-N键的键长,所有的三方单锥在三维空间以共角顶连接,它们的长Ga-N键平行于z轴且指向相同,整体呈现层型结构。有选择的掺入微量的Si元素,能够有效改善氮化镓材料的电化学性质,利用Si原子与N原子结合形成Si3N4结构的共价键四面体以及Si3N4四面体与Ga原子通过共角或者共边连接成开放性的三维框架结构等结构优势,将其创新地应用于锂离子电池的负极材料,另外,氮化镓材料还具有稳定的化学性质,能够抵抗强酸环境,综合利用其空间结构和稳定的化学性质,将其作为锂电池负极材料应用,成为改善现阶段锂电池负极存在的电池容量低、循环性能差等问题的一个新思路。表1氮化镓晶体基本参数根据本专利技术的一个方面,提供了一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池,一方面Si嵌入Li时形成的众多合金中的Li4.4Si,其理论容量高达4200mAh/g,可以有效提高锂离子电池的容量,另一方面,通过构建Si3N4四面体结构及Si3N4四面体与Ga原子构成稳定的开放性的三维框架结构,在增强锂离子输运效率的同时也避免了在锂离子嵌入脱出过程中因结构坍塌导致的电化学活性降低问题,对提高材料的循环寿命和循环性能极为有益。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本专利技术作进一步详细说明。在本专利技术的一个示意性实施例中,提供了一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料。Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料包括:金属衬底;以及形成于金属衬底上方的Si掺杂氮化镓薄膜,具有疏松多孔结构,为晶态与非晶态的混合态。下面对上述Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的组成部分做详细介绍:其中,金属衬底包括铜箔、镍箔、泡沫铜、泡沫镍或预沉积石墨烯缓冲层的铜箔、镍箔、泡沫铜、泡沫镍;本实施例中,Si掺杂氮化镓薄膜的厚度约为10μm;金属衬底选用铜箔;Si掺杂氮化镓薄膜中Si元素的掺杂比例约为10%。图2为根据本专利技术实施例Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料本文档来自技高网...
Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料及其制备方法、锂电池

【技术保护点】
一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料,包括:金属衬底;以及形成于金属衬底上方的Si掺杂氮化镓薄膜;其中,所述Si掺杂氮化镓薄膜具有疏松多孔结构,为晶态与非晶态的混合态。

【技术特征摘要】
1.一种Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料,包括:金属衬底;以及形成于金属衬底上方的Si掺杂氮化镓薄膜;其中,所述Si掺杂氮化镓薄膜具有疏松多孔结构,为晶态与非晶态的混合态。2.根据权利要求1所述的负极电池材料,所述金属衬底的材料选用铜箔、镍箔、泡沫铜、泡沫镍或预沉积石墨烯缓冲层的铜箔、镍箔、泡沫铜及泡沫镍。3.根据权利要求1所述的负极电池材料,所述Si掺杂氮化镓薄膜的厚度为10μm;和/或所述Si掺杂氮化镓薄膜中Si元素的掺杂比例为10%。4.一种根据权利要求1所述Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料的制备方法,包括:利用射频溅射靶材,在金属衬底上沉积Si掺杂氮化镓薄膜,获得Si掺杂氮化镓/金属负极电池材料。5.根据权利要求4所述的制备方法,所述靶材包括:将氮化镓圆片通过导电银胶水粘在Si板中间,其中,Si板的直径等于靶枪尺寸,氮化镓圆片的直径在溅射区域对应的凹槽最深处附近1cm~3cm内进行变化,组成同心圆结构的混合溅射靶材。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄鹏李洋袁国栋李晋闽
申请(专利权)人:中国科学院半导体研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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