CN109346714A - 一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源储能研究领域，具体公开了一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法及其应用，包括如下步骤：(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属镁及其他金属作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备二元或三元镁基合金；通过本发明公开的技术方案，不仅提供了一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，且工艺方法操作方便，能够精确控制镁基合金成分、厚度，不仅能够作为金属氢化物镍电池的负极贮氢材料，也可作为锂离子电池的负极储锂材料，为高性能金属氢化物镍电池和锂离子电池的设计和制备提出了一种新思路。

Description

一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及新能源储能研究领域，尤其涉及的是一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法及其应用。
背景技术
能源和环境危机给新能源的开发带来机遇和挑战，金属氢化物镍电池和锂离子电池凭借各自的优势特点，成为世界能源舞台中不可或缺的两种新能源，均被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。
金属氢化物镍电池的负极材料一般采用AB5型稀土贮氢合金，相对镁基合金其价格比较高昂，且理论贮氢质量比容量远低于镁基合金。锂离子电池一般选择金属锂或石墨作为负极材料，金属锂具有电极电势低、理论比容量高等特点，但是其活性很高，给电池的实际应用带来巨大的安全隐患。而石墨的理论比容量较低，仅为372mAh/g，且其体积比容量也较低。而镁基合金具有廉价易制备、能量密度高以及稳定性好等优点，既可以作为金属氢化物镍电池的负极贮氢材料，亦可作为锂离子电池的负极储锂材料，使其具有巨大的市场应用前景。
真空磁控溅射镀膜技术在制备合金薄膜方面具有突出显著优势，成膜速率高，成膜的一致性好，成膜较为致密，且膜/基结合较好。磁控溅射镀膜工作原理在于利用粒子轰击靶材产生的溅射效应，使得靶材原子或分子从固体表面射出，在基片上沉积形成金属薄膜。目前高真空磁控溅射镀膜设备可以溅射制备二元或三元合金功能材料，被广泛应用于医疗、电子器件、半导体、新能源等领域，均具有很高的经济应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：获得既可以贮氢又可以储锂的新型镁基合金，提供了一种科学、简便、廉价制备新型贮氢、储锂镁基合金的方法，同时，将上述合金材料应用在镍电池的负极贮氢材料以及锂离子电池的负极储锂材料中。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)以金属镁及其他导电性能良好的金属作为靶材，采用真空磁控溅射镀膜技术，溅射制备镁基合金，制备过程中，控制本底真空为(0.5-6.5)×10-5Pa，启辉压力为0.5-3Pa，工作气压为0.14-0.16Pa，工作温度为200-260℃，工作气流为Ar，50-100sccm，溅射功率为30-80W。
优选地，所述步骤(2)的制备过程中控制本底真空为(0.5-6.5)×10-5Pa，启辉压力为2Pa，工作气压为0.15Pa，工作温度为250℃，工作气流为Ar，85sccm，溅射功率为45W。
优选地，所述步骤(2)中采用其他导电性能良好的金属作为靶材时，其真空磁控溅射镀膜工艺参数为：本底真空(0.5-1.5)×10-5Pa，启辉压力0.5-3Pa，工作气压0.14-0.16Pa，工作温度：200-260℃，工作气流：Ar，50-100sccm，溅射功率60-120W。
优选地，所述真空磁控溅射镀膜技术采用的设备为高真空磁控溅射镀膜。
优选地，所述步骤(2)中其他导电性能良好的金属采用金属钛、镍、金、银和锡中的任一一种或两种金属作为靶材制备成二元或三元镁基合金。
优选地，所述二元或三元镁基合金厚度为20-200nm。
优选地，所述二元或三元镁基合金厚度为100nm。
同时，本发明公开将上述二元或三元镁基合金应用到制备镍电池的负极贮氢材料以及制备锂离子电池的负极储锂材料中。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)科学有效、制备方便；
(2)使用本方法制作出的二元和三元镁基合金可以作为金属氢化物镍电池的负极贮氢材料，亦可作为锂离子电池的负极储锂材料；
(3)镁基合金能量密度高、性能稳定、价格低廉。
附图说明
图1是本发明实施例1-6中新型贮氢、储锂镁基合金制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种新型贮氢、储锂Mg-Ni合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属镁和镍作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备二元Mg-Ni合金，其中，Mg-Ni合金厚度为100nm。
其中，镁靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.5×10-5Pa，启辉压力3Pa，工作气压0.16Pa，工作温度：260℃，工作气流：Ar，100sccm，溅射功率30W。
镍靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空(0.5-1.5)×10-5Pa，启辉压力0.5Pa，工作气压0.146Pa，工作温度：200℃，工作气流：Ar，100sccm，溅射功率80W。
实施例2
如图1所示，本实施例的一种新型贮氢、储锂Mg-Ti合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属镁和钛作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备二元Mg-Ti合金，其中，Mg-Ti合金厚度为20nm。
其中，镁靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.5×10-5Pa，启辉压力0.5Pa，工作气压0.14Pa，工作温度：200℃，工作气流：Ar，50sccm，溅射功率30W。
钛靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空(0.5-1.5)×10-5Pa，启辉压力3Pa，工作气压0.16Pa，工作温度：260℃，工作气流：Ar，50sccm，溅射功率30W。
实施例3
如图1所示，本实施例的一种新型贮氢、储锂Mg-Ag合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属镁和银作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备二元Mg-Ag合金，其中，Mg-Ag合金厚度为200nm。
其中，镁靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空0.5×10-5Pa，启辉压力0.8Pa，工作气压0.15Pa，工作温度：220℃，工作气流：Ar，58sccm，溅射功率62W。
银靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空(0.5-1.5)×10-5Pa，启辉压力1.2Pa，工作气压0.15Pa，工作温度：240℃，工作气流：Ar，65sccm，溅射功率45W。
实施例4
如图1所示，本实施例的一种新型贮氢、储锂Mg-Sn合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属锡和镁作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备二元Mg-Sn合金，其中，Mg-Sn合金厚度为100nm。
其中，镁靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.2×10-5Pa，启辉压力2.5Pa，工作气压0.145Pa，工作温度：250℃，工作气流：Ar，75sccm，溅射功率60W。
锡靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空0.8×10-5Pa，启辉压力2.5Pa，工作气压0.152Pa，工作温度：226℃，工作气流：Ar，65sccm，溅射功率38W。
实施例5
如图1所示，本实施例的一种新型贮氢、储锂Mg-Ni-Ti三元合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属镁、镍和钛作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备三元Mg-Ni-Ti合金，其中，Mg-Ni-Ti合金厚度为80nm。
其中，镁靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.4×10-5Pa，启辉压力0.8Pa，工作气压0.14Pa，工作温度：215℃，工作气流：Ar，70sccm，溅射功率45W。
镍靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.1×10-5Pa，启辉压力1.5Pa，工作气压0.15Pa，工作温度：220℃，工作气流：Ar，55sccm，溅射功率45W。
钛靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.3×10-5Pa，启辉压力0.25Pa，工作气压0.15Pa，工作温度：220℃，工作气流：Ar，60sccm，溅射功率30-80W。
实施例6
如图1所示，本实施例的一种新型贮氢、储锂Mg-Sn-Ti三元合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)采用真空磁控溅射镀膜技术，以导电性能良好的金属镁、钛、镍作为靶材，通过调控真空磁控溅射镀膜工艺参数，溅射制备三元Mg-Ni-Ti合金，其中，Mg-Ni-Ti合金厚度为80nm。
其中，镁靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.1×10-5Pa，启辉压力1.8Pa，工作气压0.15Pa，工作温度：220℃，工作气流：Ar，65sccm，溅射功率45W。
锡靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.2×10-5Pa，启辉压力1.2Pa，工作气压0.14-0.16Pa，工作温度：230℃，工作气流：Ar，65sccm，溅射功率65W。
钛靶材的真空磁控溅射镀膜工艺参数具体为：本底真空1.2×10-5Pa，启辉压力1.5Pa，工作气压0.15Pa，工作温度：240℃，工作气流：Ar，65sccm，溅射功率50W。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铜箔、泡沫镍等集流体进行表面清洁处理；
(2)以金属镁及其他导电性能良好的金属作为靶材，采用真空磁控溅射镀膜技术，溅射制备镁基合金，制备过程中，控制本底真空为(0.5-6.5)×10-5Pa，启辉压力为0.5-3Pa，工作气压为0.14-0.16Pa，工作温度为200-260℃，工作气流为Ar，50-100sccm，溅射功率为30-80W。
2.根据权利要求1所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的制备过程中控制本底真空为(0.5-6.5)×10-5Pa，启辉压力为2Pa，工作气压为0.15Pa，工作温度为250℃，工作气流为Ar，85sccm，溅射功率为45W。
3.根据权利要求1所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用其他导电性能良好的金属作为靶材时，其真空磁控溅射镀膜工艺参数为：本底真空(0.5-1.5)×10-5Pa，启辉压力0.5-3Pa，工作气压0.14-0.16Pa，工作温度：200-260℃，工作气流：Ar，50-100sccm，溅射功率60-120W。
4.根据权利要求1-3任一所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述真空磁控溅射镀膜技术采用的设备为高真空磁控溅射镀膜。
5.根据权利要求1所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中其他导电性能良好的金属采用金属钛、镍、金、银和锡中的任一一种或两种金属作为靶材制备成二元或三元镁基合金。
6.根据权利要求1所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中以金属镁、锡为靶材，制备成Mg-Sn二元镁基合金。
7.根据权利要求1所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中以金属镁、钛、镍为靶材，制备成Mg-Ni-Ti三元镁基合金。
8.根据权利要求5所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述二元或三元镁基合金厚度为20-200nm。
9.根据权利要求6所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法，其特征在于，所述二元或三元镁基合金厚度为100nm。
10.一种采用如权利要求1-9任一所述的新型贮氢、储锂镁基合金制备方法在制备金属氢化物镍电池的负极贮氢材料以及制备锂离子电池的负极储锂材料中的应用。
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