CN105633378A - 一种磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法及其在锂离子电池上的应用 - Google Patents

一种磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法及其在锂离子电池上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法，该复合材料为GaN，具体制备方法为：将纯度为99.99％GaN靶材和金属衬底分别安置于溅射腔中，靶材与衬底距离D＝7cm；对腔体进行抽真空，V≥1×10-7Torr；对衬底进行加热，并将其温度保持在25～700℃；利用磁控溅射对靶材进行轰击，在金属衬底上沉积生长GaN。所制备GaN直接生长在导电基体上，与基体结合紧密；所制备样品中GaN为均匀的纳米颗粒，平均尺寸在40nm；所制备GaN可作为锂离子电池负极材料，具有较高充、放电容量和较低的充、放电平台。

Description

一种磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法及其在锂离子电池上的应用
技术领域
本发明涉及一种磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法，并将其应用于锂离子电池上，属于储能材料与电化学电源领域。
技术背景
伴随着日益严重的能源危机和环境污染，可再生能源的开发和利用显得尤为迫切。然而，可再生能源如太阳能、风能、潮汐能等具有不连续性、不稳定性的缺点，如何提高这些能源的利用效率显得尤为重要。锂离子电池具有工作电压高、比能量大、环境友好等显著优点，是一种理性的储能设备。目前，锂离子电池已经广泛应用于手机、手提电脑等便携式电子设备中，但作为未来电动交通工具和大型储能电站的电源还需进一步提升其能量密度及功率密度。高能量密度、高功率密度锂离子电池的研制取决于高性能锂离子电池材料的研发。目前，商用锂离子电池正极材料体系相对丰富，而负极材料体系相对单一，亟需拓展。按照充放电机理，现有负极材料可分为三类：1)嵌入/脱出式，以石墨材料为代表；2)合金/去合金化型，以Si为代表；3)转换型材料，以过渡族金属氧化物为代表。其中，传统嵌入/脱出式负极材料理论容量较低，作为负极不利于提升锂离子电池的能量密度。合金/去合金化型负极材料在嵌、脱锂过程中往往存在较大的体积变化，容易导致材料粉化和容量衰减。转换型负极材料相对于嵌入/脱出式材料而言具有更高的理论容量，相对于合金/去合金化型材料而言具有更小的体积变化，是一种理想的负极材料。其理论容量可根据计算得出，其中，n为一个电极材料分子可以可逆存储与释放的Li+个数，由金属阳离子的价态决定，M是电极材料的分子量。在存储同样数目Li+的时候，电极材料的分子量越低，其理论容量越高。目前，转换型材料正在逐渐从过渡族金属氧化物体系向硫化物，磷化物，氮化物、氟化物等拓展。其中，氮化物中N的价态通常为为-3价，且其原子量较小，作为锂离子电池负极有利于提升其可逆容量。但氮化物制备较难，其作为锂离子电池负极的应用报道较少。GaN作为一种典型的半导体材料，前期在半导体行业对其制备方法及在光学领域中的应用有了一定的研究积累。然而，目前，关于其在储能领域中的应用并未见报道。
发明内容
基于以上背景，本项目发展一种溅射法将GaN沉积到导电基体上，并对其作为无粘结剂锂离子电池负极的电化学性能进行首次研究。结果表明，GaN具有较高的储锂容量，在锂离子电池中有潜在应用价值。具体制备方法如下
(1)将纯度为99.99％GaN靶材和金属衬底分别安置于溅射腔中，靶材与衬底距离D＝7cm；
(2)对腔体进行抽真空，V≥1×10-7Torr；
(3)对衬底进行加热，并将其温度保持在25～700℃；
(4)利用磁控溅射对靶材进行轰击，在金属衬底上沉积生长GaN。
步骤(4)是在反应气体N2流量F＝20sccm，工作气压P＝100mTorr；溅射功率W＝200w的条件下沉积时间20～200min后得到的。
所述的金属衬底为铜箔、镍箔、泡沫铜、泡沫镍、预沉积石墨烯缓冲层的铜箔、镍箔、泡沫铜或泡沫镍中的任意一种。
本发明还将所述的磁控溅射法制备的GaN/导电基体复合材料在锂离子电池上的应用
本发明所涉及的GaN材料及制备方法具有以下几个显著特点：
(1)所制备GaN直接生长在导电基体上，与基体结合紧密；
(2)所制备样品中GaN为均匀的纳米颗粒，平均尺寸在40nm；
(3)所制备GaN可作为锂离子电池负极材料，具有较高充、放电容量和较低的充、放电平台。
附图说明
图1实施例1所制备样品的SEM图；
图2实施例1所制备样品的首次充、放电曲线；
图3实施例2所制备样品的首次充、放电曲线；
图4实施例3所制备样品的首次充、放电曲线。
具体实施方式
实施例1
将纯度为GaN靶材99.99％和铜箔分别安置于溅射腔中，靶材与衬底距离D＝7cm；对腔体进行抽真空至V≥1×10-7Torr并对衬底进行加热至600℃；利用磁控溅射对靶材进行轰击，在金属衬底上沉积生长GaN。反应气体N2流量F＝20sccm，工作气压P＝100mTorr；溅射功率W＝200w，沉积时间120mins。所制备的样品经经SEM表征，由图1可以看出，样品为纳米颗粒，平均尺寸约40nm。将实施例1所得的材料按如下方法制成纽扣电池：将制得的GaN/Cu裁剪成直径14mm的圆片，在120℃下真空干燥12h。以金属锂片为对电极，Celgard膜为隔膜，溶解有LiPF6(1mol/L)的EC+DEC(体积比为1:1)的溶液为电解液，在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。电池组装完后静置8h，再用CT2001A电池测试系统进行恒流充放电测试，测试电压为3～0.02V。图2表明，实施例1所制备的GaN作为锂离子电池负极首次充、放电容量分别为913和1070mAh/g，放电平台主要在0.75～0.02V之间，充电平台主要在0.2～1.2V之间。
实施例2
将将纯度为GaN靶材99.99％和泡沫镍分别安置于溅射腔中，靶材与衬底距离D＝7cm；对腔体进行抽真空至V≥1×10-7Torr并对衬底进行加热至600℃；利用磁控溅射对靶材进行轰击，在金属衬底上沉积生长GaN。反应气体N2流量F＝20sccm，工作气压P＝100mTorr；溅射功率W＝200w，沉积时间80mins。将实施例2所得的材料按实施例1中步骤制备成纽扣电池并对其电化学性能进行研究。如图3所示，实施例2所制备的GaN作为锂离子电池负极首次充、放电容量分别为888和980mAh/g。
实施例3
将将纯度为GaN靶材99.99％和预沉积石墨烯的泡沫铜分别安置于溅射腔中，靶材与衬底距离D＝7cm；对腔体进行抽真空至V≥1×10-7Torr并对衬底进行加热至600℃；利用磁控溅射对靶材进行轰击，在金属衬底上沉积生长GaN。反应气体N2流量F＝20sccm，工作气压P＝100mTorr；溅射功率W＝200w，沉积时间30mins。将实施例2所得的材料按实施例1中步骤制备成纽扣电池并对其电化学性能进行研究。如图3所示，实施例2所制备的GaN作为锂离子电池负极首次充、放电容量分别为913和955mAh/g。

Claims (4)

1.一种磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法，其特征在于，该复合材料为GaN，具体制备方法为：
(1)将纯度为99.99％GaN靶材和金属衬底分别安置于溅射腔中，靶材与衬底距离D＝7cm；
(2)对腔体进行抽真空，V≥1×10-7Torr；
(3)对衬底进行加热，并将其温度保持在25～700℃；
(4)利用磁控溅射对靶材进行轰击，在金属衬底上沉积生长GaN。
2.权利要求1所述的磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法，其特征在于，步骤(4)是在反应气体N2流量F＝20sccm，工作气压P＝100mTorr；溅射功率W＝200w的条件下沉积时间20～200min后得到的。
3.权利要求1所述磁控溅射法制备GaN/导电基体复合材料的方法，其特征在于，所述的金属衬底为铜箔、镍箔、泡沫铜、泡沫镍、预沉积石墨烯缓冲层的铜箔、镍箔、泡沫铜或泡沫镍中的任意一种。
4.权利要求1-3任一项所述的磁控溅射法制备的GaN/导电基体复合材料在锂离子电池上的应用。
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