CN108493402B - 利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法，该正极片的制备在离子束溅射室内进行，将铝箔作为基片，将定量的块体硫和块体碳作为靶材，将离子束溅射室抽真空后，采用氩离子束以不同的功率交替轰击块体硫和块体碳，将硫原子和碳原子分别溅射出来，沉积到铝箔表面，即获得带有硫/碳复合材料的锂硫电池正极片。该制备方法的优点是：能够精确控制硫和碳的交替溅射量，使硫/碳复合材料混合均匀。

Description

利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法。
背景技术
锂硫电池由于其高的比容量和高的能量密度，被认为是当今最具有研究价值的二次电池体系之一，而硫/碳复合材料被认为是最具发展潜力的锂硫电池的正极材料，一方面在于碳材料作为导电骨架，提高了硫正极的导电性，另一方面碳材料也为单质硫提供了稳定的电极结构，保证了复合材料的结构稳定性。在复合方法上，研究人员主要考虑尽量减小硫的尺寸，使之与碳材料能很好地结合形成网状结构。目前常用的复合方法有球磨法、高温热处理法、加热回流法、真空浸渍法、化学沉淀法和气相负载法等，球磨法只能将单质硫粉碎至亚微米尺度，不能较好地与碳接触，高温热处理法使硫能够嵌入到碳孔道中使硫碳结合更紧密，美中不足的是硫可能会发生团聚，其他方法工艺过程复杂，应用受到限制。而且通过这些方法制得的硫/碳复合粉末还需要加入粘结剂，混合成浆料涂敷在铝箔上，才能制成电池正极片，不但复合效果不够理想，而且工序复杂。
发明内容
本发明目的是提供一种利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法，将块体硫和块体碳交替溅射制备锂硫电池正极片的方法，使单质硫向纳米尺寸甚至分子水平与碳材料复合而且复合更均匀，简化锂硫电池正极片的制造工序而且使硫/碳复合材料与铝箔附着力更强。
本发明采用如下技术方案：
一种利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法，采用离子束将靶材中的硫原子和碳原子交替溅射出来，沉积到铝箔表面，沉积层形成所需的厚度后，即获得带有硫/碳复合材料的锂硫电池正极片。
所述的方法，该方法是在离子束溅射室内实施的，溅射前离子束溅射室内为真空。
所述的方法，将离子束溅射室1抽真空至10-4Pa。
所述的方法，所述的离子束是由离子束枪产生和汇集的氩离子束。
所述的方法，所述的靶材，一种靶材由单质硫块体裁切和称量制成，另一种靶材由单质碳块体裁切和称量制成。
所述的方法，所述的交替溅射，氩离子束以不同的功率交替轰击块体硫和块体碳，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔表面，变换靶材时轰击停止一个时间段。
所述的方法，所述的铝箔，在溅射沉积硫/碳复合材料前，用离子束轰击清洗铝箔表面。
所述的方法，采用100W功率，从离子束枪发射氩离子束，清洗铝箔表面。
所述的方法，溅射开始时，用氩离子束以80W功率轰击块体硫3，持续5分钟，停顿轰击1分钟，再以60W功率轰击块体碳，持续5分钟，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔表面。
所述的方法，硫/碳质量比为7:3或8:2或9:1，对应硫/碳复合材料厚度为10μm或60μm或100μm。
该正极片的制备在离子束溅射室(1)内进行。溅射操作开始前，将铝箔(8)裁切成所需的形状和面积，铺设在离子束溅射室的基片托架(7)上作为基片，按照硫靶材支架(4)和碳靶材支架(5)的规格、在铝箔(8)上要求沉积硫/碳复合材料的厚度和所要求的硫/碳质量比，裁切和称量单质硫块体和单质碳块体，将制得的块体硫(3)和块体碳(6)分别安放在硫靶材支架(4)和碳靶材支架(5)上作为靶材，然后将离子束溅射室(1)抽真空，再从离子束枪(2)发射氩离子束，清洗铝箔(8)表面。溅射开始时，用氩离子束以不同的功率交替轰击块体硫(3)和块体碳(6)，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔(8)表面，变换靶材时轰击停止一个时间段，当沉积层达到所需的厚度后停止溅射。将铝箔(8)连同沉积层从基片托架(7)上取下来，即获得带有硫/碳复合材料的锂硫电池正极片。
本发明的优点是：①制得的硫/碳复合材料中，硫颗粒和碳颗粒极为细小，且通过精确控制硫和碳的交替溅射量，使硫碳混合极为均匀，能显著提高硫正极的导电性，四电极法测得电导率为6.15×10-3S/cm；②硫/碳复合材料与铝箔附着力强，既减小了硫/碳复合材料和铝箔之间的界面电阻，也使电池正极片在后续加工中不易发生硫/碳复合材料的剥落；③不必专门在铝箔表面涂敷硫/碳复合材料，简化了电池正极片的制造工序。
附图说明
图1为操作装置示意图。
图中：1－离子束溅射室 2－离子束枪 3－块体硫 4－硫靶材支架 5－碳靶材支架 6－块体碳 7－基片托架 8－铝箔。
图2为制得的硫/碳复合材料的扫描电镜照片。
图3、图4、图5分别为沉积层厚度为10μm、60μm、100μm制得的锂硫电池正极片断面的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1制备硫/碳质量比为7:3，硫/碳复合材料厚度为10μm，所需形状和面积的正极片
溅射操作开始前，将铝箔8裁切成所需的形状和面积，铺设在离子束溅射室1的基片托架7上作为基片，按照硫靶材支架4和碳靶材支架5的规格，以7:3的质量比裁切和称量单质硫块体和单质碳块体，并使硫碳总量足够在铝箔8上沉积10μm厚度，将制得的块体硫3和块体碳6分别安放在硫靶材支架4和碳靶材支架5上作为靶材，将离子束溅射室1抽真空至10-4Pa，采用100W功率，从离子束枪2发射氩离子束，清洗铝箔8表面。溅射开始时，用氩离子束以80W功率轰击块体硫3，持续5分钟，停顿轰击1分钟，再以60W功率轰击块体碳3，持续5分钟，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔8表面，这样交替轰击块体硫3和块体碳6靶材，当沉积层厚度达到10μm时停止溅射，将铝箔8连同沉积层从基片托架7上取下来，即获得带有所需硫/碳复合材料的正极片。组装成电池进行充放电测试，在0.1C的放电倍率下，首次放电比容量为1339.6mAh/g，50次循环之后放电比容量为1048.9mAh/g，容量保持率为78.3％；在0.5C的放电倍率下，首次放电比容量为1296.6mAh/g，50次循环之后放电比容量为1004.9mAh/g，容量保持率为77.5％，性能极为优异。
由图2可以看出，硫、碳颗粒混合极为均匀且极为细小，不超过50nm。由图3可以看出，沉积层厚度为10μm时，沉积层与铝箔附着极为牢靠。
实施例2制备硫/碳质量比为8:2，硫/碳复合材料厚度为60μm，所需形状和面积的正极片
溅射操作开始前，将铝箔8裁切成所需的形状和面积，铺设在离子束溅射室1的基片托架7上作为基片，按照硫靶材支架4和碳靶材支架5的规格，以8:2的质量比裁切和称量单质硫块体和单质碳块体，并使硫碳总量足够在铝箔8上沉积60μm厚度，将制得的块体硫3和块体碳6分别安放在硫靶材支架4和碳靶材支架5上作为靶材，将离子束溅射室1抽真空至10-4Pa，采用100W功率，从离子束枪2发射氩离子束，清洗铝箔8表面。溅射开始时，用氩离子束以80W功率轰击块体硫3，持续5分钟，停顿轰击1分钟，再以60W功率轰击块体碳3，持续5分钟，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔8表面，这样交替轰击块体硫3和块体碳6靶材，当沉积层厚度达到60μm时停止溅射，将铝箔8连同沉积层从基片托架7上取下来，即获得带有所需硫/碳复合材料的正极片。组装成电池进行充放电测试，在0.1C的放电倍率下，首次放电比容量为1302.6mAh/g，50次循环之后放电比容量为995.2mAh/g，容量保持率为76.4％；在0.5C的放电倍率下，首次放电比容量为1260.6mAh/g，50次循环之后放电比容量为949.2mAh/g，容量保持率为75.3％，性能仍然优异。由图4可以看出，沉积层厚度为60μm时，沉积层与铝箔附着仍然牢靠。
实施例3制备硫/碳质量比为9:1，硫/碳复合材料厚度为100μm，所需形状和面积的正极片
溅射操作开始前，将铝箔8裁切成所需的形状和面积，铺设在离子束溅射室1的基片托架7上作为基片，按照硫靶材支架4和碳靶材支架5的规格，以9:1的质量比裁切和称量单质硫块体和单质碳块体，并使硫碳总量足够在铝箔8上沉积100μm厚度，将制得的块体硫3和块体碳6分别安放在硫靶材支架4和碳靶材支架5上作为靶材，将离子束溅射室1抽真空至10-4Pa，采用100W功率，从离子束枪2发射氩离子束，清洗铝箔8表面。溅射开始时，用氩离子束以80W功率轰击块体硫3，持续5分钟，停顿轰击1分钟，再以60W功率轰击块体碳3，持续5分钟，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔8表面，这样交替轰击块体硫3和块体碳6靶材，当沉积层厚度达到100μm时停止溅射，将铝箔8连同沉积层从基片托架7上取下来，即获得带有所需硫/碳复合材料的正极片。组装成电池进行充放电测试，在0.1C的放电倍率下，首次放电比容量为1132.6mAh/g，50次循环之后放电比容量为832.5mAh/g，容量保持率为73.5％；在0.5C的放电倍率下，首次放电比容量为1021.6mAh/g，50次循环之后放电比容量为741.7mAh/g，容量保持率为72.6％，性能比前两例有所下降，但仍然高于常规方法制作的锂硫电池。由图5可以看出，沉积层厚度为100μm时，沉积层与铝箔附着仍然牢靠。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用离子束溅射技术制备锂硫电池正极片的方法，其特征在于，采用离子束将靶材中的硫原子和碳原子交替溅射出来，沉积到铝箔表面，沉积层形成所需的厚度后，即获得带有硫/碳复合材料的锂硫电池正极片；所述的交替溅射，氩离子束以不同的功率交替轰击块体硫和块体碳，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔表面，变换靶材时轰击停止一个时间段；所述的靶材，一种靶材由单质硫块体裁切和称量制成，另一种靶材由单质碳块体裁切和称量制成；硫/碳质量比为7:3或8:2或9:1，对应硫/碳复合材料厚度为10 μm或60 μm或100 μm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法是在离子束溅射室内实施的，溅射前离子束溅射室内为真空。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将离子束溅射室抽真空至10-4Pa。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离子束是由离子束枪产生和汇集的氩离子束。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铝箔，在溅射沉积硫/碳复合材料前，用离子束轰击清洗铝箔表面。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用100 W功率，从离子束枪发射氩离子束，清洗铝箔表面。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，溅射开始时，用氩离子束以80 W功率轰击块体硫，持续5分钟，停顿轰击1分钟，再以60 W功率轰击块体碳，持续5分钟，分别将硫原子和碳原子溅射出来，沉积到铝箔表面。
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