CN105680028B - 一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105680028B
CN105680028B CN201610042224.8A CN201610042224A CN105680028B CN 105680028 B CN105680028 B CN 105680028B CN 201610042224 A CN201610042224 A CN 201610042224A CN 105680028 B CN105680028 B CN 105680028B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sodium
ion battery
electrode material
target
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201610042224.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105680028A (zh
Inventor
潘洋
周永宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN201610042224.8A priority Critical patent/CN105680028B/zh
Publication of CN105680028A publication Critical patent/CN105680028A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105680028B publication Critical patent/CN105680028B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

本发明属钠离子电池技术领域，具体为一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法。硅锑合金（SixSb(1‑x)，0.5≤X≤0.95）薄膜电极材料采用脉冲激光沉积制备获得，硅锑合金薄膜厚度为40‑80nm，质量为0.02‑0.04 mg。薄膜电极的可逆比容量约为450 mAh/g，在充放电循环过程中表现出优良的电化学性能。该电极材料比容量高，循环性能好，制备方法简单，适用于钠离子电池。

Description

一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及可用作钠离子电池的负极活性材料及其制备方法。
背景技术
随着近年来移动电子设备的飞速发展，与电子产品相匹配的小型化长寿命电源的需求日益增加，对锂离子电池依赖加剧，有限的锂资源必将面临短缺问题，其成本也将随之上升。钠离子电池与锂离子电池相比虽然能量密度略低，但钠盐资源丰富，分布广泛，成本低廉。同时，钠电池有相对稳定的电化学性能，使用更加安全。负极材料作为钠离子电池的重要组成部分，其性能对电池的综合性能具有重要的作用。目前用于钠离子电池的负极材料主要包括：碳基材料，例如硬碳（可逆容量约为300mAh/g）；氧化物和硫化物材料，例如Na2Ti3O7（可逆容量约为200mAh/g）、Ni3S2（可逆容量约为400mAh/g）；合金材料，例如SnSb/C（可逆容量约为544 mAh/g）。其中，碳基材料和氧化物材料的容量不高；硫化物材料的循环性能差；合金材料的比容量较大，但循环性能也不够理想。
本发明提出使用脉冲激光沉积技术制备的SixSb(1-x)(0.5≤X≤0.95)合金薄膜负极材料，是一种具有良好充放电性能的高容量新型电极材料。
发明内容
本发明的目的在于提出一种性能良好的用于钠离子电池的硅锑合金负极材料及其制备方法。
本发明提出的用于钠离子电池的负极材料，是一种硅锑合金SixSb(1-x)(0.5≤X≤0.95)纳米薄膜材料，薄膜厚度为40-80 nm，质量为0.02-0.04 mg。经研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能钠离子电池的负极材料。目前为止没有关于这种硅锑合金用作钠离子电池负极材料的报道。
本发明提出的作为钠离子电池负极材料的硅锑合金材料为薄膜形式。
本发明提出的用于钠离子电池的硅锑合金负极材料的制备方法，具体步骤如下：
用半导体Si和金属Sb按比例混合制作靶材，采用脉冲激光沉积得到SixSb(1-x)(0.5≤X≤0.95)合金薄膜；其中，脉冲激光波长为300-400 nm，重复频率为10-20 Hz，脉冲宽度为5-10 ns；脉冲激光和靶材表面所形成的入射角为30-45°，聚焦镜焦距为30-50 cm，衬底与靶材的距离为3-5cm；激光能量密度为2-4J/cm2；沉积时衬底温度为100-150℃，沉积室真空度为5×10-5 Pa -7×10-5Pa，沉积时间为30-60min。
本发明中，硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜的物相由X射线衍射仪确定，为非晶结构。
本发明中，硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜可直接制成钠离子电池薄膜电极。
本发明中，硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜的电化学性能测试采用由双电极组成的薄膜电池系统。其中，硅锑合金薄膜用作工作电极，高纯钠片同时用作为对电极和参比电极。电解液为1MNaClO4 + EC/DEC（体积比为1/1）。薄膜电池装配在充氩气的干燥箱内进行。薄膜电池的充放电实验在蓝电（Land）薄膜电池测试系统上进行。
本发明中，由脉冲激光沉积在不锈钢片基片上制得的硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜电极具有充放电性能，在电压范围0.01～3.0 V和电流密度10μA/cm2时，放电反应的平台出现在0.4～0.8 V之间（相对于Na/Na+），容量衰减较小，平均每次循环衰减约为3%。
上述性能表明，由脉冲激光沉积技术制备的硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜是一种新型的负极材料，可应用于钠离子电池。
附图说明
图1为硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜的在电流密度为10μA/cm2时的充放电曲线。
图2为硅锑合金（SixSb(1-x)）薄膜前50次循环的比容量变化图。
具体实施方式
实施例1
用半导体Si和金属Sb按摩尔比1:1混合制作靶材，采用脉冲激光沉积得到SiSb合金薄膜；其中，激光波长为355 nm，重复频率为10 Hz，脉冲宽度为5 ns。激光和靶材表面所形成的入射角为45°，聚焦镜焦距为30 cm，衬底与靶材的距离为4.5 cm。激光能量密度为2J/cm2。沉积时衬底温度为150℃，沉积室真空度为7×10-5Pa，沉积时间为60min。
扫描电子显微镜表征结果表明，薄膜中无明显的晶粒，薄膜表面较为平整，厚度约为40nm。X射线衍射图像中并没有发现任何晶体结构的特征峰，说明该薄膜为非晶态结构。将该薄膜作为工作电极，以高纯钠块作为对电极组装成模拟电池。其中电解液为1MNaClO4+EC/DEC (EC与DEC的体积比为1/1)，电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电在Land电池测试系统上进行。混合物薄膜电极表现出了良好的电化学性能。电池放电平台在0.4～0.8V，可逆容量约为425 mAh/g左右，且容量衰减较小。
实施例2
用半导体Si和金属Sb按摩尔比1:1混合制作靶材，采用脉冲激光沉积得到SiSb合金薄膜；其中，激光波长为355 nm，重复频率为10 Hz，脉冲宽度为5 ns。激光和靶材表面所形成的入射角为45°，聚焦镜焦距为30 cm，衬底与靶材的距离为3 cm。激光能量密度为3.5J/cm2。沉积时衬底温度为150℃，沉积室内通入惰性气体Ar，压强为10Pa，沉积时间为30min。
扫描电子显微镜和X射线衍射表征结果表明，薄膜为非晶态结构，薄膜表面较为平整，厚度约为80nm。将该薄膜作为工作电极，以高纯钠块作为对电极组装成模拟电池。其中电解液为1MNaClO4+EC/DEC (EC与DEC的体积比为1/1)，电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电在Land电池测试系统上进行。合金薄膜电极表现出了良好的电化学性能。电池放电平台在0.4～0.8V，可逆容量约为460 mAh/g左右。

Claims (2)

1.一种钠离子电池用负极材料，其特征在于为硅锑合金SixSb(1-x)纳米薄膜，0.5≤X≤0.95，薄膜的厚度为40-80nm，质量为0.02-0.04mg；
所述的钠离子电池用的负极材料由以下步骤制备：用半导体Si和金属Sb按比例混合制作靶材，采用脉冲激光沉积得到SiSb合金薄膜；其中，脉冲激光波长为300-400nm，重复频率为10-20Hz，脉冲宽度为5-10ns；脉冲激光和靶材表面所形成的入射角为30-45°，聚焦镜焦距为30-50cm，衬底与靶材的距离为3-5cm；激光能量密度为2-4J/cm2；沉积时衬底温度为100-150℃，沉积室真空度为5×10-5Pa -7×10-5Pa，沉积时间为30-60min。
2.一种如权利要求1所述的钠离子电池用的负极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：用半导体Si和金属Sb按比例混合制作靶材，采用脉冲激光沉积得到SiSb合金薄膜；其中，脉冲激光波长为300-400nm，重复频率为10-20Hz，脉冲宽度为5-10ns；脉冲激光和靶材表面所形成的入射角为30-45°，聚焦镜焦距为30-50cm，衬底与靶材的距离为3-5cm；激光能量密度为2-4J/cm2；沉积时衬底温度为100-150℃，沉积室真空度为5×10-5Pa -7×10-5Pa，沉积时间为30-60min。
CN201610042224.8A 2016-01-22 2016-01-22 一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法 Expired - Fee Related CN105680028B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610042224.8A CN105680028B (zh) 2016-01-22 2016-01-22 一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610042224.8A CN105680028B (zh) 2016-01-22 2016-01-22 一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105680028A CN105680028A (zh) 2016-06-15
CN105680028B true CN105680028B (zh) 2019-07-05

Family

ID=56302075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610042224.8A Expired - Fee Related CN105680028B (zh) 2016-01-22 2016-01-22 一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105680028B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107565104A (zh) * 2017-07-23 2018-01-09 复旦大学 一种锂离子电池用负极材料AlN‑Co复合薄膜及其制备方法
CN109920978A (zh) * 2017-12-13 2019-06-21 上海杉杉科技有限公司 一种含稳定结构硅基薄膜电极的高容量电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1731599A (zh) * 2005-08-05 2006-02-08 吴孟涛 一种二次电池负极（阳极）及制作方法
CN1870325A (zh) * 2006-05-26 2006-11-29 南开大学 具有三层单元结构的锂离子二次电池负极材料及制备方法
CN101051683A (zh) * 2007-05-10 2007-10-10 复旦大学 一种用于锂离子电池的三硒化二锑阳极薄膜材料及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1731599A (zh) * 2005-08-05 2006-02-08 吴孟涛 一种二次电池负极（阳极）及制作方法
CN1870325A (zh) * 2006-05-26 2006-11-29 南开大学 具有三层单元结构的锂离子二次电池负极材料及制备方法
CN101051683A (zh) * 2007-05-10 2007-10-10 复旦大学 一种用于锂离子电池的三硒化二锑阳极薄膜材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105680028A (zh) 2016-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106784611B (zh) 一种具有凹坑图案的用于二次电池的电极及其制备方法和用途
Shi et al. Constructing an elastic solid electrolyte interphase on graphite: a novel strategy suppressing lithium inventory loss in lithium-ion batteries
CN107565088B (zh) 一种金属锂二次电池负极的制备方法
Sha et al. Printing 3D mesh-like grooves on zinc surface to enhance the stability of aqueous zinc ion batteries
CN104638253A (zh) 一种作为锂离子电池负极的Si@C-RG核壳结构复合材料的制备方法
CN108886150A (zh) 包含具有精细图案的锂金属层及其保护层的二次电池用负极、以及所述负极的制造方法
CN112635698B (zh) 一种锌二次电池的负极极片及其制备方法和用途
JP2010263058A (ja) 蓄電デバイス
CN104617294A (zh) 纳米片组装的Na3V2(PO4)3/C分级微米花电极材料及其制备方法和应用
CN110880596B (zh) 一种钾离子电池正极活性材料及其制备方法和应用
KR20140058928A (ko) 비수계 고용량 리튬 이차전지
CN101794877A (zh) 一种用于锂离子电池的氟化铜-硒纳米复合负极材料及其制备方法
CN105680028B (zh) 一种钠离子电池用负极材料硅锑合金薄膜及其制备方法
Huang et al. Nickel/silicon core/shell nanosheet arrays as electrode materials for lithium ion batteries
CN101066843B (zh) 一种全固态薄膜电池中的负极材料CrN及其制备方法
CN108987673B (zh) 一种含导电保护薄膜的锂负极及其制备方法和应用
CN102136565A (zh) 用于锂离子电池的氧化铁-硒纳米复合负极材料及其制备方法
CN100367562C (zh) 以硒化银薄膜为阳极材料的薄膜锂离子电池及其制备方法
CN109301198B (zh) 一种镍纳米片阵列负载氧化锌复合电极及制备方法
CN209016215U (zh) 充电电池
CN108110247B (zh) 一种锂电池氟化锂-三氧化二钴阴极材料及制备方法
CN115676888B (zh) 改性钽酸锂修饰石墨烯纳米材料及其制备方法和应用
CN108172790B (zh) 一种纳米氟化锂/铁酸镍阴极材料复合物及其制备方法
CN108172789B (zh) 一种氟化锂-一氧化镍纳米复合物及其制备方法
RU2743576C1 (ru) Анод литий-ионного аккумулятора для работы при пониженных температурах и способ его изготовления

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190705

Termination date: 20220122