一种锂离子电池负极薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术属锂离子薄膜电池技术领域，具体为一种用于锂离子电池的尖晶石型复合金属氧化物ZnMn2O4 薄膜电极材料及其制备方法。ZnMn2O4 薄膜电极材料采用静电喷雾沉积法获得，其特征在于，将醋酸锌：醋酸锰按1:2的摩尔比混合，溶解在乙醇和1,2丙二醇的混合溶剂中，形成浓度为0.005 mol L

A cathode thin film material for lithium ion battery and its preparation method

The invention belongs to the technical field of thin-film lithium-ion batteries, in particular to a lithium ion battery for the spinel type composite metal oxide ZnMn2O4 thin film electrode material and preparation method thereof. ZnMn2O4 thin film electrode material by electrostatic spray deposition method, which is characterized in that: the zinc acetate and manganese acetate by 1:2 molar ratio, dissolved in the mixed solvent of ethanol and propylene glycol in the form of 1,2, the concentration of 0.005 mol L

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极薄膜材料及其制备方法
本专利技术属于微型锂离子薄膜电极的
，具体涉及采用静电喷雾法（ESD）制备尖晶石型复合金属氧化物ZnMn2O4微型锂离子电池负极薄膜。
技术介绍
随着近年来移动电子设备的飞速发展，与电子产品相匹配的小型化长寿命电源的研究越来越受到重视，锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度大、无记忆效应的优点而备受关注。为了研制大容量的锂离子电池，负极材料的选择尤为重要。当前商用的锂电池的负极材料一般为石墨，但其比容量只有375mAhg-1左右，难以满足未来高容量电池的应用。因此，寻找新型的高比容量，低成本锂离子电池负极材料变得非常迫切。美国的《应用材料与界面》（ACSAppliedMaterialsInterfaces3(2013)11321-11328）介绍了使用合成ZnMn2O4纳米管阵列薄膜的方法制备锂离子电池负极材料，该方法工艺繁琐，首先要利用水热法获得ZnO纳米棒阵列，然后再以ZnO纳米棒阵列为模板并结合离子交换法制备ZnMn2O4纳米管阵列薄膜。荷兰的《电化学学报》（ElectrochimicaActa121(2014)15-20）介绍了使用静电喷雾装置制备了锂离子电池负极材料MnO薄膜。荷兰的《胶体与表面：物理化学与工程》（ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects468（2015）17-21）介绍了使用静电喷雾装置制备了锂离子电池负极材料ZnO/还原氧化石墨复合结构薄膜。但到目前为止，未见使用静电喷雾沉积法制备锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种性能良好的用于锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜及其制备方法。本专利技术的锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜，具有三维网状结构特征。所述的基片材料为多孔泡沫镍，或多孔泡沫铜，或铜箔、不锈钢片等。本专利技术利用静电喷雾法合成锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜，具体技术方案如下：步骤(1).将醋酸锌、醋酸锰按醋酸锌：醋酸锰=1:2摩尔比混合，溶解在由乙醇与1,2-丙二醇组成的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为为0.005molL-10.01molL-1的前驱体溶液。步骤(2).将前驱体溶液以24mlh-1匀速流向喷雾头，喷雾头到基片的距离为23cm,控制基片加热温度在230oC260oC，在喷雾头与基片间加直流电压至得到稳定均匀的喷雾，根据所需薄膜的厚度控制喷雾的时间。将得到的样品在氩气气氛下500oC600oC退火2h3h。与现有技术相比，本专利技术由于采用静电喷雾装置制备薄膜，在常温大气中操作，无需真空和气氛保护等，简化了操作步骤；锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜的厚度由喷雾时间控制，因而薄膜厚度可以任意控制；所制备薄膜材料，可以直接进行电池组装，免去了传统负极粉体材料需要添加粘合剂与导电剂等繁琐步骤，简化了工艺过程。本专利技术制备的锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜具有独特的三维网络结构，不仅有利于锂离子的输运扩散，还有利于增强薄膜和基片的连接力，使得电极膜在不断充放电过程中不会从基片上脱落，提升电极的循环性能。附图说明图1为实施例1采用的静电喷雾沉积装置结构示意图。图2为实施例1制得的ZnMn2O4薄膜的X射线衍射图。图3为实施例1制得的ZnMn2O4薄膜的扫描电镜图片。图4为实施例1制得的ZnMn2O4薄膜电极和金属锂组成半电池在电流密度为400mAg-1的条件下循环次数对充放电比容量图。图5为实施例1制得的ZnMn2O4薄膜电极和金属锂组成半电池在不同的充放电速率下的比容量图。具体实施方式实施例1先组装本专利技术中使用的静电喷雾沉积装置（示意图如图1所示）：将硅胶管一端连接装有前驱液的注射器中，另一端连接一个注射针头，然后将注射器固定在注射泵的凹槽内，控制流量范围020mlh-1，电压范围为050kV的直流高压发生器的导线夹连接于注射针头并保持针尖竖直向上，将基片固定距离针尖正上方23cm的加热台上，并将基片接地，加热台控温范围0400oC。然后配置前驱体溶液：将醋酸锌和醋酸锰按摩尔比1:2混合溶解于乙醇/1,2丙二醇（体积比为1:1）的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.006molL-1；将圆形泡沫镍基片固定在加热台上，调节喷雾针头到基片的距离为2.5cm，基片温度控制在250oC；打开注射泵，使前驱体溶液以2mlh-1的速度从注射器流向针尖，通过直流高压发生装置调节加在针头和基片间的电压在7kV获得稳定的喷雾，连续沉积4h后，获得ZnMn2O4薄膜。将得到的ZnMn2O4薄膜在Ar气氛下500oC退火2h，得到ZnMn2O4薄膜电极。通过X射线衍射仪确定ZnMn2O4薄膜的晶体结构：图2中曲线为实例1得到的从泡沫镍基片上剥离的ZnMn2O4薄膜的XRD谱图，图中在18.6o、33.2o、36.6o和61.3o有四个衍射峰，分别为尖晶石型ZnMn2O4的（101）、（103）、（211）和（224）面。由扫描电镜测定ZnMn2O4薄膜的形貌结构:图3为该薄膜的扫描电镜照片，由图中可见，ZnMn2O4薄膜具有三维网状结构，网孔大小为0.55微米。采用双电极组成的锂离子电池体系，测定电极的充放电循环：将高纯锂片作为负极，ZnMn2O4薄膜作为正极，1molL-1的LiPF6+EC+DEC（EC和DEC体积比为1:1）作为电解液，Celgard2400为隔膜，电池装配在充氩气的手套箱中进行，电池充放电实验在新威（Neware）电池测试系统上进行。图4为本实施例1的电极膜在电压范围3.000.01V，放电速率为400mAg-1时，循环数和放电比容量关系图。曲线上首次放电比容量为1789mAhg-1，首次放电容量损失率为29.6%，在经过100个循环后，稳定放电容量仍可达到982mAhg-1。图5为本实施例1电极膜经过100次循环性能测试后，在电压范围3.000.01V，不同放电倍率下的放电容量变化，当放电速率分别为200mAg-1、400mAg-1、800mAg-1、1600mAg-1、3200mAg-1和5000mAg-1时，放电容量分别为1082mAhg-1、1034mAhg-1、933mAhg-1、792mAhg-1、601mAhg-1和455mAhg-1。由此可见电极膜在大电流放电时仍然有较高的放电容量。另外，当放电速率从高电流返回低电流200mAg-1时，放电容量仍高达1131mAhg-1，这说明该电极膜在充放电时表现出优异的稳定性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池负极材料薄膜，其特征在于为尖晶石型复合金属氧化物ZnMn2O4, 薄膜为三维网状结构，网孔的大小为0.5

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极材料薄膜，其特征在于为尖晶石型复合金属氧化物ZnMn2O4,薄膜为三维网状结构，网孔的大小为0.55微米。2.一种权利要求1的锂离子电池负极材料ZnMn2O4薄膜的制备方法，其特征在于采用静电喷雾法，具体如下步骤：步骤(1).将醋酸锌、醋酸锰按醋酸锌：醋酸锰=1:2摩尔比混合，溶解在由乙醇与1,2-丙二醇组成的混合溶剂中...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑举君，张宪科，李海霞，
申请(专利权)人：苑举君，张宪科，李海霞，
类型：发明
国别省市：江西,36