一種氧化亞鈷基納米複合物電極材料及其製備方法與流程

2023-12-03 11:32:26 1

本發明涉及鋰離子電池領域，具體涉及一種可用於鋰離子電池負極的氧化亞鈷/鈷納米複合物薄膜電極材料及其製備方法。

背景技術：

鋰離子電池是一種新型高效的化學電源，具有能量密度大、開路電壓高、循環壽命長等優點，是當今各種可攜式電子產品的理想化學電源，也是未來電動汽車優選動力電源，具有廣闊的應用空間和經濟價值。

其中，負極材料是鋰離子電池的關鍵材料之一。目前商用的鋰離子電池主要以碳基材料作為負極，但是由於石墨負極材料的可逆容量只有372mAh/g,這嚴重限制了未來鋰離子電池的發展，因此研發新型高容量鋰離子電池負極材料成為了熱點。在眾多新型負極材料中，過渡族金屬氧化物吸引了廣泛的研究關注。其中氧化亞鈷(CoO)理論比容量高達716mAh/g,約為石墨化碳材料容量的兩倍，而且相比於Fe2O3等過渡族金屬負極材料具有更高的倍率特性。

然而，CoO本身的電導率仍需進一步提高，而且循環過程中會產生體積膨脹，最終導致電池倍率性能和循環性能並不理想，限制了該材料的實際應用。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種氧化亞鈷/鈷納米複合負極材料及其製備方法，以解決現有技術中的純氧化亞鈷負極材料循環性能差、倍率性能低的問題。

氧化亞鈷/鈷納米複合負極材料是有氧化亞鈷納米顆粒和金屬鈷納米顆粒均勻混合成膜，其中氧化亞鈷和金屬鈷的平均粒徑都小於5nm，質量比為1：0.01-1：0.2。

本發明還涉及一種鋰離子電池氧化亞鈷/鈷納米複合化合物的製備方法：採用99.9％純度的金屬鈷作為靶材料，通過磁控濺射儀，在基片上製備納米複合物薄膜電極材料。

所述沉積鍍膜時工作氣壓為氧氣，沉積過程中總壓強保持在0.5Pa，通過改變氬氣和氧氣壓強比在1：0.01-1:0.03之間，可以調節納米複合物中氧化亞鈷與金屬鈷的成分比例至1：0.01-1：0.2。

所述基片是銅基片，具有良好導電性，是優異的負極材料集流體。

所述沉積鍍膜時基片溫度是室溫，可以避免晶粒團聚，更有利於5nm以內的納米晶生成。

本發明中納米金屬鈷顆粒均勻地分散在氧化亞鈷中，不僅可以有效地提高電極材料的電導率，而且具有高效的催化活性，可促進充放電反應的進行，提高電池的倍率特性。同時，納米結構複合膜可顯著地增加電極與電解液的接觸面積，並緩衝充放電過程中的體積變化，優化循環性能。作為電池負極材料，該納米複合混合物電化學性能優良，表現出了優異的循環特性和倍率性能。同時，該方法操作簡單，可重複行強，可適用於高性能鋰離子電池負極，尤其是全固態薄膜鋰離子電池。

附圖說明

圖1 CoO/Co 0.05納米複合化合物薄膜電鏡圖片。

圖2 CoO/Co 0.05納米複合化合物薄膜充放電循環性能曲線。

圖3 CoO/Co 0.15納米複合化合物薄膜倍率曲線。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

實施例1:

本實施實例採用99.9％純度的金屬鈷作為靶材料，以銅箔為基片，把金屬鈷靶材和銅箔基片放置到磁控濺射腔體中，將靶材和基片距離調節至40mm，基片溫度為室溫。對磁控濺射腔抽真空，真空室背底真空為1×10-5Pa後通入氬氣和氧氣氣混合氣體，調節氬氣和氧氣壓強比為1：0.03。將基片溫度設置為室溫，調節磁控濺射電源功率設置為30W，鍍膜沉積速率為0.05nm/s，沉積鍍膜2小時，獲得納米複合物電極薄膜厚度為360nm,氧化亞鈷和金屬鈷的成分比例為1：0.05，鍍膜完畢後取出基片。

圖1為脈衝沉積鍍膜製備的CoO/Co 0.05納米複合物的電鏡圖片，可以看出平均粒徑小於5nm。

採用雙電極組成的鋰電池體系，測試電極的充放電循環：將高純鋰片作為負極，氧化亞鈷和金屬鈷的納米複合薄膜CoO/Co 0.05作為正極，1mol/L的LiPF6+EC+DEC(EC和DEC的體積比為1：1)作為電解液，Celgard 2300作為隔膜，電池裝配在充氬氣的手套箱中進行，電池充放電實驗在新威電池測試系統上進行。

圖2為本實施例1的電極膜在電壓範圍0.01V-3.0V,放電速率為500mA h/g時，循環次數和放電比容量的關係圖。曲線上首次放電比容量為1080mAh/g，首次庫倫充放電效率高達63.5％，經過100個循環後，穩定放電容量可達到868mAh/g，展現出了大容量和優異的循環性能。

實施例2:

本實施實例採用99.9％純度的金屬鈷作為靶材料，以銅箔為基片，把金屬鈷靶材和銅箔基片放置到磁控濺射腔體中，將靶材和基片距離調節至40mm，基片溫度為室溫。對磁控濺射腔抽真空，真空室背底真空為1×10-5Pa後通入氬氣和氧氣氣混合氣體，調節氬氣和氧氣壓強比為1：0.01。將基片溫度設置為室溫，調節磁控濺射電源功率設置為25W，鍍膜沉積速率為0.05nm/s，沉積鍍膜2小時，獲得納米複合物電極薄膜厚度為360nm,氧化亞鈷和金屬鈷的成分比例為1：0.15，鍍膜完畢後取出基片。

採用雙電極組成的鋰電池體系，測試電極的充放電循環：將高純鋰片作為負極，氧化亞鈷和金屬鈷的納米複合薄膜CoO/Co 0.15作為正極，1mol/L的LiPF6+EC+DEC(EC和DEC的體積比為1：1)作為電解液，Celgard 2300作為隔膜，電池裝配在充氬氣的手套箱中進行，電池充放電實驗在新威電池測試系統上進行。

圖3為本實施例2的電極膜的倍率性能曲線，可以看出在充放電電流為10000mA/g時，電極容量仍然高達487.7mAh/g，保持率高達82％，表現出優異的倍率性能。

以上所述僅是本發明的具體實施方式，使本領域技術人員能夠理解或實現本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。