CN100505389C - 一种用于锂离子电池的硅酸钴锂正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属电化学技术领域，具体为一种用于锂离子电池的正极材料的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)材料。该材料为薄膜形式，通过反应性脉冲激光沉积法制备获得。该薄膜制成的电极，具有良好的充放电循环可逆性，由硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜制成的电极的可逆比容量为60mAh/g左右。电极经100次循环后容量仍有50mAh/g。硅酸钴锂(Li2CoSiO4)电极材料化学稳定性好、平台电位高、制备方法简单，适用于锂离子电池。

Description

一种用于锂离子电池的硅酸钴锂正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属电化学技术领域，具体涉及一类用于锂离子电池的正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是笔记本电脑、照相机、手机以及其它通讯器材的重要电源，而且有可能作为绿色能源用于汽车和其它交通工具。目前市售的锂离子电池主要由碳基正极材料，有机液体电解质和含锂的过渡金属氧化物阴极材料所组成。为了进一步提高锂离子电池的性能，人们正在研究、寻找比碳基正极材料性能更好的新型的正极材料。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。
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正极材料及其制备方法。
本发明提出的锂离子电池正极材料，是一种具有橄榄石结构的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)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正极材料。目前为止没有关于硅酸钴锂(Li2CoSiO4)材料用作锂离子电池正极材料的报道。
本发明提出的作为锂离子电池正极材料的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)为薄膜形式，其薄膜材料的厚度为0.2-1μm。
本发明还提出了前述锂离子电池正极材料的制备方法，具体介绍如下：
作为锂离子电池正极材料的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜可采用反应性脉冲激光沉积法制备，具体步骤为：将碳酸锂，草酸钴和二氧化硅研磨，混合，高温煅烧后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，其中碳酸锂和草酸钴的摩尔比例在1.1-1.3，由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶子和基片的距离为25-50mm，在氩气气氛中在基片上沉积得到硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜，基片可采用不锈钢片、铂片和镀金单晶硅片，基片温度为400-500℃。薄膜的沉积时间由薄膜厚度要求确定，一般为0.2-1.0小时。薄膜厚度可由扫描电镜测定，薄膜的重量根据电子天平称量实验前后基片重量作差得到。
本发明中，硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜的晶体结构由X-射线衍射仪(Bruker D8 Advance)确定。X-射线衍射图谱表明由脉冲激光反应沉积法制得的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜为橄榄石型结构。由扫描电镜(Philips XL30)测定表明，由脉冲激光反应沉积法制得的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜表面光滑并伴有一些细小裂痕。
本发明中，硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜可直接制成锂离子电池薄膜电极。
本发明中，硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜电极的电化学性能测试采用由三电极组成的电池系统，其中，硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜用作工作电极，高纯锂片分别用作为对电极和参比电极。电解液为1M LiPF6+EC+DMC(V/V＝1/1)。电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电实验在蓝电(Land)电池测试系统上进行。
本发明中，由脉冲激光反应性沉积法在不锈钢片等基片上制得的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜电极均具有充放电性能，第一次放电反应的放电平台出现在3.9V(相对于Li+/Li)，第二次放电过程与第一次放电过程相比，不可逆放电容量损失为8.4％，在电压范围3.0-4.3V和电流密度5μA/cm2时，硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜电极的比容量在前100次循环内保持在50-62mAh/g。
上述性能表明，硅酸钴锂(Li2CoSiO4)是一类新型的正极材料，可应用于锂离子电池。
附图说明
图1为硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜的XRD谱图。图中星号表示不锈钢基片的衍射峰，括号内的是衍射峰的晶面指标
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明，但不限于这些实施例。
采用反应性脉冲激光沉积法制备硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜，颜色为灰色。制备时，将碳酸锂、草酸钴和二氧化硅研磨，混合，高温煅烧后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，其中碳酸锂和草酸钴的摩尔比例在1.1-1.3，采用不锈钢片作为基片，基片与靶的距离为40mm，基片温度为450℃，由Nd:YAG激光器产生的基频经三倍频产生355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到混合靶上。能量密度为2J·cm-2，沉积时间为2小时。
X-射线衍射测定表明沉积的薄膜为橄榄石结构的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)(附图1)。由扫描电镜照片测定表明由脉冲激光反应性沉积制得的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜表面光滑并伴有一些细小裂痕。
对不锈钢基片上的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜电极的电化学性能测试结果如下：
硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜电极可在5μA/cm2充放电速率下进行充放电循环。在电压范围3.0-4.3V内，第一次放电容量可达62mAh/g，可逆容量为60mAh/g，循环40次后容量趋于稳定，循环100次容量保持在50mAh/g。
因此，在不锈钢片上沉积的硅酸钴锂(Li2CoSiO4)薄膜可用作锂离子电池的正极材料。

Claims (2)

1、一种锂离子电池正极材料，其特征在于为一种具有橄榄石结构的硅酸钴锂，且以薄膜形式形成在集电体上构成正极，薄膜的厚度为0.2-1μm。
2、一种如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于采用反应性脉冲激光沉积法制备，具体步骤为：将碳酸锂、草酸钴和二氧化硅研磨，混合，高温煅烧后压片制成脉冲激光沉积所用的靶，其中碳酸锂和草酸钴的摩尔比例在1.1-1.3，由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到上述靶上，靶子和基片的距离为25-50mm，在氩气气氛中在基片上沉积得到硅酸钴锂薄膜；基片采用不锈钢片、铂片或镀金单晶硅片，基片温度为400-500℃。
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