CN108565394A - 利用磁控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磁控溅射技术制备锂硫电池正极片的方法,使用高能氩离子把硫碳混合靶材(4)中的硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔(3)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;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,能明显提高硫正极的导电性,四电极法测得电导率为4.36×10‑ 3S/cm;②溅射效率高,沉积面积大,基片温升小;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;④工艺简单,易于控制。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域,涉及一种利用磁控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磁控溅射技术,将混合压实的硫碳粉末共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效率高,简化锂硫电池正极片的制造工序而且操作简单。
本发明采用如下技术方案:
一种利用磁控溅射技术制备锂硫电池正极片的方法,使用高能氩离子把硫碳混合靶材(4)中的硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔(3)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,该正极片的制备在磁控溅射室(1)内进行;溅射操作开始前,将铝箔(3)裁切成所需的形状和面积,铺设在磁控溅射室的基片托架(2)上作为基片,按照在铝箔(3)上要求沉积硫/碳复合材料的厚度和所要求的硫/碳质量比称量单质硫粉末和单质碳粉末,混合均匀后,按照靶材支架(7)的规格,将硫碳混合粉末压实成形状大小适宜的硫碳混合靶材(4),安放在靶材支架(7)上,将磁控溅射室(1)抽到足够的真空度,再充入适量氩气;溅射开始时,采用某一功率加电磁场,电磁场电离产生、增值和控制的高能量的氩离子轰击硫碳混合靶材(4),将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔(3)表面,当沉积层达到所需的厚度后停止溅射;将铝箔(3)连同沉积层从基片托架(2)上取下来,即获得带有硫/碳复合材料的锂硫电池正极片。
所述的方法,溅射前磁控溅射室(1)内充填了适量氩气。
所述的方法,所述的高能氩离子弥散在磁控溅射室内靠近硫碳混合靶材(4)表面的空间内。
所述的方法,所述的硫碳混合靶材(4)由单质硫粉末和单质碳粉末,以所需的比例和质量混合压制而成。
所述的方法,单质硫粉末和单质碳粉末以9:1-7:3的质量比均匀混合。
所述的方法,单质硫粉末和单质碳粉末以9:1、7:3或8:2的质量比均匀混合。
所述的方法,磁控溅射室1抽真空至10-4Pa以下,再通入适量氩气,保持气压在0.6Pa。
所述的方法,溅射开始时,采用100W功率,使产生的氩离子轰击硫碳混合靶材,将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔表面,当沉积层厚度达到10μm、60μm、100μm时停止溅射。
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,能明显提高硫正极的导电性,四电极法测得电导率为4.36×10-3S/cm;②溅射效率高,沉积面积大,基片温升小;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;④工艺简单,易于控制。
附图说明
图1为操作装置示意图。
图中:1-磁控溅射室 2-基片托架 3-铝箔 4-硫碳混合靶材 5-磁控溅射阴极6-磁体 7-靶材支架。
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
磁控溅射操作开始前,将铝箔3裁切成所需的形状和面积,铺设在磁控溅射室1的基片托架2上作为基片,称量单质硫粉末和单质碳粉末,以7:3的质量比均匀混合,并使混合总量足够在铝箔3上沉积10μm厚度,按照靶材支架7的规格,将硫碳混合粉末压实成形状大小适宜的硫碳混合靶材4,安放在靶材支架7上作为靶材,将磁控溅射室1抽真空至10-4Pa以下,再通入适量氩气,保持气压在0.6Pa左右。溅射开始时,采用100W功率,使产生的氩离子轰击硫碳混合靶材4,将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔3表面,当沉积层厚度达到10μm时停止溅射。将铝箔3连同沉积层从基片托架2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1319.0mAh/g,50次循环之后放电比容量为1018.3mAh/g,容量保持率为77.2%;在0.5C的放电倍率下,首次放电比容量为1289.2mAh/g,50次循环之后放电比容量为983.7mAh/g,容量保持率为76.3%,性能极为优异。
由图2可以看出,硫、碳颗粒混合均匀且极为细小,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
磁控溅射操作开始前,将铝箔3裁切成所需的形状和面积,铺设在磁控溅射室1的基片托架2上作为基片,称量单质硫粉末和单质碳粉末,以8:2的质量比均匀混合,并使混合总量足够在铝箔3上沉积60μm厚度,按照靶材支架7的规格,将硫碳混合粉末压实成形状大小适宜的硫碳混合靶材4,安放在靶材支架7上作为靶材,将磁控溅射室1抽真空至10-4Pa以下,再通入适量氩气,保持气压在0.6Pa左右。溅射开始时,采用100W功率,使产生的氩离子轰击硫碳混合靶材4,将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔3表面,当沉积层厚度达到60μm时停止溅射。将铝箔3连同沉积层从基片托架2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1292.3mAh/g,50次循环之后放电比容量为970.5mAh/g,容量保持率为75.1%;在0.5C的放电倍率下,首次放电比容量为1251.3mAh/g,50次循环之后放电比容量为932.2mAh/g,容量保持率为74.5%,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
磁控溅射操作开始前,将铝箔3裁切成所需的形状和面积,铺设在磁控溅射室1的基片托架2上作为基片,称量单质硫粉末和单质碳粉末,以9:1的质量比均匀混合,并使混合总量足够在铝箔3上沉积100μm厚度,按照靶材支架7的规格,将硫碳混合粉末压实成形状大小适宜的硫碳混合靶材4,安放在靶材支架7上作为靶材,将磁控溅射室1抽真空至10-4Pa以下,再通入适量氩气,保持气压在0.6Pa左右。溅射开始时,采用100W功率,使产生的氩离子轰击硫碳混合靶材4,将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔3表面,当沉积层厚度达到100μm时停止溅射。将铝箔3连同沉积层从基片托架2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1109.0mAh/g,50次循环之后放电比容量为801.8mAh/g,容量保持率为72.3%;在0.5C的放电倍率下,首次放电比容量为952.6mAh/g,50次循环之后放电比容量为684.0mAh/g,容量保持率为71.8%,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 (9)
1.一种利用磁控溅射技术制备锂硫电池正极片的方法,其特征在于,使用高能氩离子把硫碳混合靶材(4)中的硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔(3)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。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,该正极片的制备在磁控溅射室(1)内进行;溅射操作开始前,将铝箔(3)裁切成所需的形状和面积,铺设在磁控溅射室的基片托架(2)上作为基片,按照在铝箔(3)上要求沉积硫/碳复合材料的厚度和所要求的硫/碳质量比称量单质硫粉末和单质碳粉末,混合均匀后,按照靶材支架(7)的规格,将硫碳混合粉末压实成形状大小适宜的硫碳混合靶材(4),安放在靶材支架(7)上,将磁控溅射室(1)抽到足够的真空度,再充入适量氩气;溅射开始时,采用某一功率加电磁场,电磁场电离产生、增值和控制的高能量的氩离子轰击硫碳混合靶材(4),将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔(3)表面,当沉积层达到所需的厚度后停止溅射;将铝箔(3)连同沉积层从基片托架(2)上取下来,即获得带有硫/碳复合材料的锂硫电池正极片。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,溅射前磁控溅射室(1)内充填了适量氩气。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的高能氩离子弥散在磁控溅射室内靠近硫碳混合靶材(4)表面的空间内。
5.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述的硫碳混合靶材(4)由单质硫粉末和单质碳粉末,以所需的比例和质量混合压制而成。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,单质硫粉末和单质碳粉末以9:1-7:3的质量比均匀混合。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于,单质硫粉末和单质碳粉末以9:1、7:3或8:2的质量比均匀混合。
8.如权利要求5-7任一所述的方法,其特征在于,磁控溅射室1抽真空至10-4Pa以下,再通入适量氩气,保持气压在0.6Pa。
9.如权利要求5-7任一所述的方法,其特征在于,溅射开始时,采用100W功率,使产生的氩离子轰击硫碳混合靶材,将硫原子和碳原子共同溅射出来,沉积到铝箔表面,当沉积层厚度达到10μm、60μm、100μm时停止溅射。
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