[发明专利]锂离子电池负极用铝锡合金薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术，特别涉及一种锂离子电池负极用铝锡合金薄膜及其制备方法。

背景技术

锂离子电池已成为21世纪重要的新型能源之一，广泛应用于各种便携式电子产品和电动工具等领域，并有望成为未来混合动力汽车和纯电动汽车的能源供给之一。负极材料是锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一，目前商业化碳负极材料虽然具有较好的循环性能，但是由于其较低的比容量(理论比容量372mAh/g)和较差的倍率放电性能，远不能满足未来高容量长寿命电子设备的需求。

近年来，金属及合金类材料是研究得较多的新型高效储锂负极材料体系，其中铝和锡因其具有比碳材料高得多的比容量(理论比容量分别为2234mAh/g，994mAh/g)而备受关注。另外，铝合金具有比强度和比刚度高、高温性能好、耐磨性和耐疲劳性好、热膨胀系数低等优点。利用铝合金的优点将其用作锂离子电池负极材料对于提高电极的循环性能有很大帮助。

纯铝或纯锡在作为锂离子电池负极材料时，由于锂离子的嵌脱及电解液的“侵入”，电极在锂嵌脱过程中会产生很大的体积变化，引起铝或锡等锂活性物质的机械分裂，导致电极逐渐崩塌粉化失效。针对这种缺点，目前的研究主要集中在复合氧化物和合金材料两个方面，而合金材料大多采用活性和非活性元素形成的合金材料作为锂离子电池负极材料，如锡镍合金。这类材料在锂离子嵌入和脱出的过程中会形成活性和非活性物质结构的材料，活性物质与锂反应提供能量，非活性物质充当“缓冲体”维持电极的基本结构保证电极的循环寿命。很显然，在引入非活性材料时，虽然循环性能有较大改善，但是存在其电极容量减少的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种在提高电极循环性能的同时增大电极容量的锂离子电池负极用铝锡合金薄膜。

本发明的另一目的在于提出一种操作工艺简单，成本低，效率高，无副产物的制备上述锂离子电池负极用铝锡合金薄膜的的方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种锂离子电池负极用铝锡合金薄膜，由固溶体合金材料铝锡合金构成，所述铝锡合金中锡的含量为25～75％，最好为50％，其余为铝；铝锡合金薄膜的厚度在50～200μm范围，最好为100μm。

上述锂离子电池负极用铝锡合金薄膜采用磁控溅射技术制备，具体方法包括下述步骤：

(1)选用作为薄膜电极集流体的金属箔作为磁控溅射的基底，并进行基底清洗；

(2)调节溅射室气压至1.0×10^-3Pa或以上，然后通入惰性气体并调节气压在0.1～10Pa范围；

(3)磁控溅射制备铝锡合金薄膜，调节溅射功率在10W～5KW范围内沉积薄膜，沉积时间在10～60分钟范围。

步骤(1)所述的作为薄膜电极集流体的金属箔为铜箔、铝箔或其他金属箔。

步骤(1)中对基底的清洗处理是：先将基底置于金属清洗剂(可以选用STC-M101高效水基金属清洗剂)配制的浓度为3～10％的溶液中浸泡，再放入去离子水中浸泡清洗，然后将基底进行干燥后放入溅射室基底基座上，最后对基底表面进行反溅处理；除去基底表面的微尘、油污等杂质。

步骤(2)所述的惰性气体为氩气或其他惰性气体，所述通入惰性气体后调节的气压最好为1Pa～3Pa。

步骤(3)所述磁控溅射类型可以为直流磁控溅射或射频磁控溅射。

所述磁控溅射具体操作方式可为垂直溅射或共溅射，且垂直溅射采用的靶材为一个铝锡合金靶材，其铝的质量百分比为25～75％(最好为50％)；共溅射采用的靶材为分别安装在两个不同靶材基座上的铝单体靶材和锡单体靶材。

由上述方法即可制得本发明锂离子电池负极用铝锡合金薄膜。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明提出的用磁控溅射技术制备出锂离子电池负极用铝锡合金薄膜在提高电极循环性能的同时增大电极容量，相对于文献中报道的纯锡电极，电极容量能提高40％左右，循环性能也有很大改善。具有充放电容量高，循环性能好的优点。

(2)本发明提出的铝锡合金是一种固溶体合金，相对于现有的一般非固溶体合金，不会存在因材料本身引起电极容量降低问题，且这种经过“固溶强化”的合金材料具有很好的力学强度。

(3)本发明提出的锂离子电池负极用铝锡合金薄膜采用磁控溅射技术制备。相对于现有的合金薄膜电极制备方法，如电化学沉积法、球磨法、高温固相法等制备方法，采用磁控溅射制备薄膜电极材料具有操作工艺简单，成本低，效率高，无副产物等优点，制备出的薄膜电极材料晶粒均匀细小，结晶度和力学性能良好。

附图说明