加掺氢碳元素的负极材料及其制备方法技术

一种加掺氢碳元素的负极材料，包括金属基片、活性材料层和缓冲层，其中所述活性材料层以活性材料Ｓｉ或Ｓｎ元素为主，掺杂有氢碳元素，活性材料与碳元素的原子比为１０∶１－１００∶１，活性材料与氢元素的原子比为５０∶１－１００∶１；活性材料层为纳米级微晶结构或非晶结构薄膜，厚度为１－２０μｍ；活性材料中掺杂铝、硼、铁、铜或银中的一种或几种；缓冲层为纳米级碳，厚度为１０－５００μｍ；采用磁控溅射方式沉积。本发明专利技术加掺氧碳元素的负极材料，具备极高的体积比容量，优异的循环性能，同时具备高倍率充放电能力，利用该负极极片制作的锂离子电池，可以广泛应用于电动工具、电动汽车和储能设备等领域，拥有较好的市场前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池，特别涉及一种。
技术介绍
自从90年代初日本SONY公司研制成功锂离子二次电池以来，作为新一代电池，锂 离子二次电池已经取得了迅猛的发展，广泛应用于民用以及军用等多个领域。近来；随着便 携式电子设备的尺寸和重量不断减小，以及电动汽车、航天和储能设备的发展，要求锂电池 拥有更高的容量密度、功率密度和安全性。尤其对于电动汽车这一全球瞩目的领域来说，提 高大电流放电能力将是锂离子二次电池全面商业化应用的关键。目前锂电池中使用的负极 材料主要是碳材料，然而碳负极的电位与金属锂接近，大电流可能导致电极表面形成锂枝 晶，存在很大的安全隐患。另外碳材料的理论容量只有372mAh/g，高倍率放电时容量和循环 性能都下降很快，无法满足电动汽车、电动工具对锂二次电池的实用要求。为了碳材料的缺陷，专利CN200410066489. 9公开了一种可高倍率充放电的电 极复合材料及其制备方法，特征在于该复合材料由具备锂离子脱嵌能力的含锂氧化物和 金属银构成，其中金属银作为第二相分散在材料晶界上，起到了导电剂作用。并且专利 CN200510026685. 8公开了一种基于第二相复合的高倍率锂离子二次电池负极材料，特征在 于以钛酸锂为基体，引入金属铜或铜的氧化物作为第二相，可进行高倍率充放电循环。但 是，氧化物体系的电极材料通常都是电子不良导体，即使加入第二相材料作为导电剂，也不 能从根本上解决问题。另外氧化物材料钛酸锂本身理论容量只有175mAh/g，大电流下放电 容量更低，无法满足锂电池高比容量要求。
技术实现思路
为提高负极材料的电化学性能，本专利技术提供一种加掺氢碳元素的负极材料及其制 备方法。本专利技术加掺氢碳元素的负极材料，包括金属基片、活性材料层和缓冲层，其中所述 活性材料层以活性材料Si或Sn元素为主，掺杂有氢碳元素，活性材料与碳元素的原子比为 10 1-100 1，活性材料与氢元素的原子比为50 1-100 1。所述活性材料层为薄膜。所述薄膜的厚度为1-20 μ m。所述活性材料的结构为纳米级微晶结构或非晶结构。所述活性材料中掺杂铝、硼、铁、铜或银中的一种或几种。所述缓冲层为纳米级碳。 所述缓冲层厚度为10-500 μ m。本专利技术加掺氢碳元素的负极材料的制备方法包括如下步骤1)提放和靶材置供金属基片；2)使用物理气相沉积方法，通过气相掺杂方式，在金属基片上沉积掺杂有氢碳元素的活性材料层。3)使用物理气相沉积方法，在活性材料层上沉积缓冲层。所述金属基片为铜箔。所述靶材为Si或Sn靶加碳靶，也可以为掺杂型Si或Sn靶加碳靶。所述气相掺杂方式中使用的气体为氢气或含碳气体的混合气体。所述气相沉积方式为磁控溅射方式。溅射所述活性材料层时的功率为500W。溅射所述缓冲层时的功率为800W。本专利技术加掺氢碳元素的负极材料，具备极高的体积比容量，优异的循环性能，同时 具备高倍率充放电能力，利用该负极极片制作的锂离子电池，可以广泛应用于电动工具、电 动汽车和储能设备等领域，拥有较好的市场前景。附图说明图1为本专利技术加掺氢碳元素的负极材料横截面示意图。图2为实施例1制备的负极活性材料的XRD图。图3为实施例1中对应的负极极片的电化学特性测试图。图4为实施例1中对应的负极极片循环性能曲线图。图5为实施例2中对应的负极极片的电化学特性测试图。图6为实施例3中对应的负极极片的电化学特性测试图。图7为实施例5中对应的负极极片循环性能曲线图。具体实施例方式本专利技术的负极极片结构和制作方法如下在诸如铜等金属制作的基片1上通 过磁控溅射依次沉积一定厚度(优选1-20 μ m)的活性材料层2和缓冲层5 (优选厚度 10-500 μ m)，如图1所示，所述活性材料为能够嵌入和脱嵌锂离子的活性材料硅或锡，并且 该活性材料层2中还掺杂有碳元素4和氢元素3，这两种掺杂元素优选均勻分布于所述活性 材料层2中，并且活性材料与碳元素的原子比为10 1-100 1，活性材料与氢元素的原子 比为50 1-100 1现在，参照实施例更进一步地说明本专利技术的技术方案。实施例1根据以下步骤制备负极极片首先制备活性材料层利用直流磁控溅射，以高纯 硅碳拼靶(硅碳靶比例为1 1)为溅射源，溅射功率为500W，在厚度为15 μ m的铜集沆体 上沉积活性材料层，厚度为3 μ m。工作气体为氩气和氢气，其中氩气流量为58sCCm，氢气流 量为lOsccm，工作气压保持在0. IPa0然后制备缓冲层以高纯石墨靶为溅射源，溅射功率为800W，在活性材料层上沉 积缓冲层，厚度为1 μ m。工作气体为氩气，流量为50sCCm，工作气压保持在5X ΚΓ1!^。所得到的负极材料的XRD如图2所示，图中标出的衍射峰均为基片铜的特征峰，因 此说明活性材料为纳米微晶结构或非晶结构。对上述制备过程得到的负极极片进行测量，可以得到活性材料中硅和碳的原子比 例为10 1，硅和氢的原子比例为50 1。将所得到的负极极片与金属Li组成扣式半电池进行电化学性能测试，放电电流 倍率为0. 5C-10C，充放电电压范围在0-2. 0V。测试结果如表1所示表 权利要求1.一种加掺氢碳元素的负极材料，包括金属基片、活性材料层和缓冲层，其特征在于 所述活性材料层以活性材料Si或Sn元素为主，掺杂有氢碳元素，活性材料与碳元素的原子 比为10 1-100 1，活性材料与氢元素的原子比为50 1-100 1。2.根据权利要求1所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述活性材料层为 纳米级微晶结构或非晶结构薄膜，厚度为1-20 μ m。3.根据权利要求2所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述活性材料中掺 杂铝、硼、铁、铜或银中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述缓冲层为纳米 级碳，厚度为10-500 μ m。5.一种加掺氢碳元素的负极材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤1)放置靶材和金属基片；2)使用物理气相沉积方法，通过气相掺杂方式，在金属基片上沉积掺杂有氢碳元素的 活性材料层。3)使用物理气相沉积方法，在活性材料层上沉积缓冲层。6.根据权利要求5所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述金属基片为铜箔。7.根据权利要求6所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述靶材为Si或Sn 靶加碳靶，也可以为掺杂型Si或Sn靶加碳靶。8.根据权利要求7所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述气相掺杂方式 中使用的气体为氢气或含碳气体的混合气体。9.根据权利要求8所述的加掺氢碳元素的负极材料，其特征在于所述气相沉积方 式为磁控溅射方式，溅射所述活性材料层时的功率为500W，溅射所述缓冲层时的功率为 800W。全文摘要一种加掺氢碳元素的负极材料，包括金属基片、活性材料层和缓冲层，其中所述活性材料层以活性材料Si或Sn元素为主，掺杂有氢碳元素，活性材料与碳元素的原子比为10∶1-100∶1，活性材料与氢元素的原子比为50∶1-100∶1；活性材料层为纳米级微晶结构或非晶结构薄膜，厚度为1-20μm；活性材料中掺杂铝、硼、铁、铜或银中的一种或几种；缓冲层为纳米级碳，厚度为10-500μm；采用磁控溅射方式沉积。本专利技术加掺氧碳元素的负极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加掺氢碳元素的负极材料，包括金属基片、活性材料层和缓冲层，其特征在于：所述活性材料层以活性材料Ｓｉ或Ｓｎ元素为主，掺杂有氢碳元素，活性材料与碳元素的原子比为１０∶１－１００∶１，活性材料与氢元素的原子比为５０∶１－１００∶１。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈渊，张睿，秦春梅，刘建红，王雅和，
申请(专利权)人：中信国安盟固利动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]