[发明专利]一种锂离子电池五元高熵氧化物纳米薄膜及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池五元高熵氧化物纳米薄膜及其制备和应用。所用初始原料包括氧化镁、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化锌，其中氧化镁、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化锌的摩尔比为：2～2.5:1.5～2:2～3:1.5～2:1.5～2。首先将以上几种氧化物高能球磨，均匀混合制成激光分子束外延沉积所用的靶材，通过激光器产生的脉冲激光经透镜聚焦后入射至所述靶材上，沉积得到五元高熵氧化物薄膜。本发明制备的纳米五元高熵氧化物薄膜用于锂离子电池负极材料，具有优异的循环特性，良好的稳定性。该制备方法具有工艺简单、成本低、无污染的特点。

技术领域

本发明属于电化学中锂电池技术领域，涉及一类用于锂离子电池的负极材料，具体为一种锂离子电池五元高熵氧化物纳米薄膜及其制备和应用。

背景技术

锂离子电池目前在人们的工作、生活中有着广泛的应用，如移动电话，数码相机和笔记本电脑等便携式电子产品以及电动汽车、大规模储能设备等方面占有重要地位。影响锂离子电池性能的一个重要因素就是其电极材料，目前商业化锂离子电池的负极材料一般采用石墨。石墨结构稳定，在充放电循环中具有稳定的可逆容量，但是石墨负极材料的理论比容量只有372mAh/g，难以满足快速发展的电子设备对锂电池越来越高的能量密度要求，因此发展具有更高比容量的新型负极材料是当前锂电池的研究热点。此外，随着微电子器件的小型化，迫切要求开发与此相匹配的锂离子电池，例如薄膜锂离子电池等。

金属氧化物(如ZnO、CuO、FeO、NiO、CoO等)由于具有较高的理论比容量备受瞩目，同时研究人员发现纳米材料尺寸越小，充放电时材料的相对体积变化也越小，可以有效的提高电池性能。高熵氧化物材料是最近几年出现的一种新型陶瓷材料，具有多种金属元素在原子水平均匀分散的特点。目前对高熵氧化物的研究主要集中在以下几个方面：(1)高熵氧化物的异常介电常数现象，如文献[Bérardan,D.,Franger,S.,Dragoe,D.,Meena,A.K.Dragoe,N.Phys.StatusSolidi RRL 2016,10,328–333]。(2)掺杂Li⁺、Na⁺、K⁺、Ga³⁺的高熵氧化物具有高离子电导率，如文献[Bérardan,D.,Franger,S.,Meena,A.Dragoe,N.J.Mater.Chem.A 2016,4,9536–9541]。(3)Cu²⁺离子的含量比对高熵氧化物晶格畸变的影响，如文献[Berardan,D.；Meena,A.K.；Franger,S.；Herrero,C.；Dragoe,N.J.Alloy.Comp.2017,704,693-700]。(4)运用同步辐射X射线精细吸收谱研究高熵氧化物的晶体结构，如文献[Rost,C.M.；Rak,Z.；Brenner,D.W.；Maria,J.P.J.Am.Ceram.Soc.2017,100,2732-2738]。(5)三元至七元高熵稀土氧化物的合成方法,如文献[Djenadic,R.；Sarkar,A.；Clemens,O.；Loho,C.；Botros,M.；Chakravadhanula,V.S.K.；Kubel,C.；Bhattacharya,S.S.；Gandhif,A.S.；Hahn,H.Mater.Res.Lett.,2017,5,102-109]。

为解决传统单元金属氧化物负极材料充放电比容量低、循环稳定性差、嵌锂脱锂过程中体积膨胀等缺点，本发明设计合成了五元高熵氧化物，并采用激光分子束外延沉积技术制备了纳米高熵氧化物薄膜。同时，研究了该纳米高熵氧化物薄膜的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种性能良好的锂离子电池负极材料及其制备方法：本发明提出的锂离子电池负极材料，是一种具有面心立方结构的五元高熵氧化物(MgCoNiCuZn)O材料。经研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能锂离子电池的负极材料。到目前为止还没有关于高熵氧化物(MgCoNiCuZn)O材料用作锂离子电池负极材料的报道。

本发明具体通过以下技术方案实现：