一种电池电极用金属化类石墨膜层及其制备方法技术

一种电池电极用金属化类石墨膜层及其制备方法，金属化类石墨膜层的各组成成分的百分比为：Ti 3.5~8.0%，N 2.0~3.0%，杂质含量≤0.05%，余量为C。本发明专利技术采用石墨、Ti靶材共溅射制备出金属化类石墨膜层，碳原子主要以sp2杂化轨道成键，能够克服了类金刚石电阻率大的缺点，减少了碳原子以sp3杂化轨道成键的方式。金属化类石墨膜层的方阻在100mΩ/□~3Ω/□，满足了工业化的生产需求。

Metallized graphite coating for battery electrode and preparation method thereof

The invention relates to a metallized graphite-like film for battery electrode and a preparation method thereof. The constituent percentages of the metallized graphite-like film are Ti 3.5-8.0%, N 2.0-3.0%, impurity content < 0.05%, and the remainder is C. The metallized graphite-like film is prepared by co-sputtering of graphite and Ti target materials. Carbon atoms are mainly bonded by SP2 hybrid orbital, which can overcome the disadvantage of high resistivity of diamond-like carbon and reduce the bonding mode of carbon atoms by SP3 hybrid orbital. The resistance of metallized graphite coating is 100m ohm / ~3 / Omega, which meets the requirement of industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种电池电极用金属化类石墨膜层及其制备方法
本专利技术涉及电池
，具体涉及一种电池电极用金属化类石墨膜层及其制备方法。
技术介绍
太阳能电池是20世纪90年代发展起来的新型产业，具有清洁、新能源、无污染、科技含量高的特点。电池的电极是电池的主要构成部分，它主要参与电子的收集和输运程。而太阳能电池的电极通常由载有铂催化剂的导电玻璃构成，铂成本较高，因此，人们尝试其他方法替代铂金属。碳材料有天然的作为太阳能电池的优良特性，炭材料催化活性高，导电性好，性能稳定，而且成本低；同时，类石墨薄膜可以作为传感器的电极，在电化学相关领域应用广泛进。碳以多种形态存在的原因是：由于碳原子通常具有3种杂化轨道成键形式，即sp3、sp2和sp1。当碳原子以sp3杂化轨道成键时，其表现形式为金刚石；以sp2杂化轨道成键时，其表现形式为石墨结构。金刚石结构强度、硬度大，导电性小，制备出的类金刚石薄膜电阻以兆Ω为单位。相反，石墨结构强度、硬度小，导电性强，薄膜电阻以Ω或者毫Ω为单位，电阻率相差106~109。电池的电极要求导电性好，电极导电薄膜的沉积方法主要分为两类：化学气相沉积和物理气相沉积。化学气相沉积主要以含碳气体，如甲烷、乙炔等为碳源，采用等离子化学气相沉积法；物理气相沉积主要以高纯石墨为靶材，采用溅射镀膜方式制备膜层。然而，在制备电池的电极的过程之中，sp2杂化轨道成键形式难以形成，制备出来的电阻率大，远远高于靶材石墨的电阻率。现有技术有使用磁控溅射方式制备的薄膜，薄膜方阻在20~30Ω/□，还达不到批量工业化生产的技术要求。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种电池电极用金属化类石墨膜层；本专利技术的目的之二是提供一种电池电极用金属化类石墨膜层的制备方法。本专利技术制备的金属化类石墨膜层，方阻为100mΩ/□~3Ω/□；在制备电池的电极的过程之中，C-C以sp2杂化轨道成键。本专利技术为实现目的之一所采用的技术方案为：一种电池电极用金属化类石墨膜层，金属化类石墨膜层的各组成成分的百分比为：Ti3.5~8.0%，N2.0~3.0%，杂质含量≤0.05%，余量为C。本专利技术为实现目的之二所采用的技术方案为：一种电池电极用金属化类石墨膜层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、使用超声波清洗Si基体5~20min；步骤二、通入氩气和氮气，使用Ti、石墨靶材共溅射方法镀膜，制得金属化类石墨膜层；步骤三、将制得的金属化类石墨膜层在黑体炉中加热，黑体炉中温度为800~900℃，保温2~3h。其中，步骤二中，Ti、石墨靶材共溅射镀膜方法为：以FTO导电玻璃为基材，以石墨和T材作为共溅射的靶材原料，利用磁控共溅射镀膜设备在FTO玻璃上沉积碳膜；其中，将基材加热到800~1000℃，通入氩气和氮气，并调节二者的流量使磁控共溅射镀膜设备的腔体压力为0.2~0.5Pa。本专利技术中，氩气与氮气的流量比为3：1；氩气与氮气的总流量为30~40sccm；石墨靶材的电流密度为10~15W/cm2，Ti靶材的电流密度为0.5~1W/cm2。其中，所述磁控共溅射镀膜设备的真空度&lt;1×10-4Pa。本专利技术采用低气压（0.2~0.5Pa）、高的基材温度（800~1000℃）、磁控溅射直流电源采用高功率模式（600~800W）、靶材高电流密度（10~15W/cm2），原子在基材表面快速成膜，原子活跃，不易形成类金刚石膜层，在高温下产生碳化反应，部分类金刚石转变为类石墨。本专利技术的薄膜制备过程中，掺入Ti、N等元素，Ti元素有良好的导电性能，部分Ti元素与C、N形成TiC、TiN，TiC、TiN也具有导电性，Ti与TiC、TiN弥散与类石墨层中，膜层之中游离的电子浓度增大，改善薄膜的导电性，制成所需的导电的类石墨膜层，类石墨膜层耐腐蚀性强，耐摩擦性强，强度硬度大，可以满足野外的苛刻环境。Ti金属导电性好，同时，Ti元素活性强，使得薄膜层结合力强，不容脱落，满足了器件的使用寿命。本专利技术掺杂的TiN具有较高的导电性和超导性，可应用于高温结构材料和超导材料。有益效果：本专利技术采用石墨、Ti靶材共溅射制备出金属化类石墨膜层，碳原子主要以sp2杂化轨道成键，能够克服了类金刚石电阻率大的缺点，减少了碳原子以sp3杂化轨道成键的方式。金属化类石墨膜层的方阻在100mΩ/□~3Ω/□，满足了工业化的生产需求。Ti/N等元素的掺杂，增大了薄膜的导电率，耐磨性能与硬度。Ti元素使得薄膜层结合力强，不容脱落，可以满足野外的苛刻环境，增大了器件的使用寿命。本专利技术掺杂的TiC原子间以很强的共价键结合，具有类似金属的若干特性，如高的熔点、沸点和硬度，硬度仅次于金刚石，有良好的导热和导电性。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用原料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品；本专利技术的百分比，均为质量百分比。一种电池电极用金属化类石墨膜层，金属化类石墨膜层的各组成成分的百分比为：Ti3.5~8.0%，N2.0~3.0%，杂质含量≤0.05%，余量为C。一种电池电极用金属化类石墨膜层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、使用超声波清洗Si基体5~20min；步骤二、通入氩气和氮气，使用Ti、石墨靶材共溅射方法镀膜，制得金属化类石墨膜层；其中，Ti、石墨靶材共溅射镀膜方法为：以FTO导电玻璃为基材，以石墨和T材作为共溅射的靶材原料，利用磁控共溅射镀膜设备在FTO玻璃上沉积类石墨膜层；其中，将基材加热到800~1000℃，通入氩气和氮气，并调节二者的流量使磁控共溅射镀膜设备的腔体压力为0.2~0.5Pa；氩气与氮气的流量比为3：1；氩气与氮气的总流量为30~40sccm；石墨靶材的电流密度为10~15W/cm2，Ti靶材的电流密度为0.5~1W/cm2；磁控共溅射镀膜设备的真空度&lt;1×10-4Pa。步骤三、将制得的金属化类石墨膜层在黑体炉中加热，黑体炉中温度为800~900℃，保温2~3h。实施例1一种电池电极用金属化类石墨膜层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、使用超声波清洗Si基体5min；步骤二、物理气相沉积镀膜：通入氩气和氮气，使用Ti、石墨靶材共溅射方法镀膜，制得金属化类石墨膜层；其中，Ti、石墨靶材共溅射镀膜方法为：以FTO导电玻璃为基材，以石墨和T材作为共溅射的靶材原料，利用磁控共溅射镀膜设备在FTO玻璃上沉积碳膜；其中，将基材加热到800℃，通入氩气和氮气，并调节二者的流量使磁控共溅射镀膜设备的腔体压力为0.5Pa；氩气与氮气的流量比为3：1；氩气与氮气的总流量为30sccm；石墨靶材的电流密度为10W/cm2，Ti靶材的电流密度为0.5W/cm2；时间为2h；磁控共溅射镀膜设备的真空度&lt;1×10-4Pa。步骤三、将制得的金属化类石墨膜层在黑体炉中加热，黑体炉中温度为800℃，保温3h进行热处理工艺。制备出的金属化类石墨膜层的厚度为4μm。实施例2一种电池电极用金属化类石墨膜层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、使用超声波清洗Si基体8min；步骤二、物理气相沉积镀膜：通入氩气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池电极用金属化类石墨膜层，其特征在于：金属化类石墨膜层的各组成成分的百分比为：Ti 3.5~8.0%，N 2.0~3.0%，杂质含量≤0.05%，余量为C。

【技术特征摘要】
1.一种电池电极用金属化类石墨膜层，其特征在于：金属化类石墨膜层的各组成成分的百分比为：Ti3.5~8.0%，N2.0~3.0%，杂质含量≤0.05%，余量为C。2.制备如权利要求1所述的一种电池电极用金属化类石墨膜层的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、使用超声波清洗Si基体5~20min；步骤二、通入氩气和氮气，使用Ti、石墨靶材共溅射方法镀膜，制得金属化类石墨膜层；步骤三、将制得的金属化类石墨膜层在黑体炉中加热，黑体炉中温度为800~900℃，保温2~3h。3.如权利要求2所述的制备一种电池电极用金属化类石墨膜层的方法，其特征在于：步骤二中，Ti、石墨靶材共溅射镀膜方法为：以...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫焉服，高志廷，王广欣，杨文玲，傅山泓，吴丹凤，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41