大容量锂离子电池负极及其制备方法[发明专利]

*CN102347474A*

(10)申请公布号 CN 102347474 A(43)申请公布日 2012.02.08

(12)发明专利申请

(21)申请号 201010244299.7(22)申请日 2010.08.04

(71)申请人中国工程物理研究院电子工程研究

所

地址621900 四川省绵阳市919-516信箱(72)发明人崔艳华 汪小琳 傅正文(74)专利代理机构成都九鼎天元知识产权代理

有限公司 51214

代理人卿诚 吴彦峰(51)Int.Cl.

H01M 4/136(2010.01)H01M 4/1397(2010.01)H01M 4/58(2010.01)

权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 1 页

(54)发明名称

大容量锂离子电池负极及其制备方法(57)摘要

本发明属电化学技术领域，具体涉及用于全固态薄膜锂离子电池负极及其制备方法。包括电极基片、基片表面的负极薄膜，基片表面的负极薄膜为磷化钴薄膜；制备方法是a.将金属钴粉末与赤磷粉混合，混合比例是金属钴比赤磷粉为1∶1～3(摩尔比)，混合均匀研磨，压片制成脉冲激光沉积所用的靶；b.将靶和基片放入真空沉积腔内，靶与基片距离25-50mm，工作气体为氩气气氛，基片温度为500-700℃；c.激光器的激光束经透镜聚焦后入射到旋转的靶上，经激光束激发的粒子溅射到基片上。磷化钴薄膜具有良好的电化学性能，化学稳定性好，作为高性能锂离子电池的负极薄膜，具有良好的充放电循环可逆性，。其制备方法简单，节约材料。

CN 102347474 ACN 102347474 ACN 102347493 A

权 利 要 求 书

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1.一种大容量锂离子电池负极，包括电极基片、基片表面的负极薄膜，其特征在于基片表面的负极薄膜为磷化钴(CoP3)薄膜。

2.根据权利要求1所述的大容量锂离子电池负极，其特征在于磷化钴(CoP3)薄膜晶体结构为体心立方结构。

3.根据权利要求1所述的大容量锂离子电池负极，其特征在于磷化钴(CoP3)薄膜的厚度为0.2-1μm。

4.一种如权利要求1所述的大容量锂离子电池负极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a.将金属钴粉末与赤磷粉混合，混合比例是金属钴比赤磷粉为1∶1～3(摩尔比)，混合均匀研磨，压片制成脉冲激光沉积所用的靶；

b.将靶和基片放入真空沉积腔内，靶与基片距离25-50mm，工作气体为氩气气氛，基片温度为500-700℃；

c.激光器的激光束经透镜聚焦后入射到旋转的靶上，经激光束激发的粒子溅射到基片上，在基片上沉积得到磷化钴薄膜。

5.根据权利要求4所述的大容量锂离子电池负极的制备方法，其特征在于激光束能量密度为2～3J·cm-2，沉积时间为1-2.5小时，磷化钴沉积薄膜的厚度达到0.2-1μm。

6.根据权利要求4所述的大容量锂离子电池负极的制备方法，其特征在于由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到靶上。

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CN 102347474 ACN 102347493 A

说 明 书

大容量锂离子电池负极及其制备方法

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技术领域

本发明属电化学技术领域，进一步讲为锂离子电池，具体涉及用于全固态薄膜锂离子电池负极及其制备方法。

[0001]

背景技术

[0002]

锂离子电池是笔记本电脑、照相机、手机以及其它通讯器材的重要电源，而且有可

能作为绿色能源用于汽车和其它交通工具。现有锂离子电池主要由碳基负极材料，有机液体电解质和含锂的过渡金属氧化物阴极材料所组成。其中，全固态薄膜锂离子电池由于安全性高、循环寿命长等优点而成为最理想的能源。而常用锂合金等负极薄膜，由于嵌脱锂时强体积变化导致材料结构破坏，从而引起电极变形，导致电化学循环稳定性下降。因此，寻找比碳基负极材料性能更好，使充放电循环可逆性较好，使用寿命长的负极材料是提高薄膜锂离子电池性能的关键。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有良好的充放电循环可逆性，电池使用寿命长的大容量锂离子电池负极及其制备方法。[0004] 本发明的解决方案是：一种大容量锂离子电池负极，包括电极基片、基片表面的负极薄膜，其特点是基片表面的负极薄膜为磷化钴(CoP3)薄膜。经研究表明，磷化钴(CoP3)薄膜具有良好的电化学性能，化学稳定性好，作为高性能锂离子电池的负极薄膜，具有良好的充放电循环可逆性，电量储存大，电池使用寿命长

[0005] 本发明的解决方案中磷化钴(CoP3)薄膜晶体结构为体心立方结构。该结构的磷化钴在充放电中循环稳定。

[0006] 本发明的解决方案中磷化钴(CoP3)薄膜的厚度为0.2-1μm性能最好。[0007] 本发明制备方法的解决方案是：大容量锂离子电池负极的制备方法，其特点是包括以下步骤：

[0008] a.将金属钴粉末与赤磷粉混合，混合比例是金属钴比赤磷粉为1∶1～3(摩尔比)，混合均匀研磨，压片制成脉冲激光沉积所用的靶；[0009] b.将靶和基片放入真空沉积腔内，靶与基片距离25-50mm，工作气体为氩气气氛，基片温度为500-700℃；

[0010] c.激光器的激光束经透镜聚焦后入射到旋转的靶上，经激光束激发的粒子溅射到基片上，在基片上沉积得到磷化钴薄膜。

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[0011] 本发明制备方法的解决方案中可采用激光束能量密度为2～4J·cm，沉积时间为1-2.5小时，磷化钴沉积薄膜的厚度达到0.2-1μm。

[0012] 本发明制备方法的解决方案中可采用由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到靶上。[0013] 本发明的优点：本发明锂离子电池负极其基片表面的负极薄膜为磷化钴薄膜，磷

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说 明 书

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化钴薄膜具有良好的电化学性能，化学稳定性好，作为高性能锂离子电池的负极薄膜，具有良好的充放电循环可逆性，无电极变形等问题，电池使用寿命长。制备方法采用激光脉冲沉积方法方便地制备了厚度为0.2-1μm左右的磷化钴薄膜，适合用作薄膜锂离子电池的负极材料，其制备方法简单，节约材料。附图说明

[0014] 图1为本发明实施例磷化钴薄膜的TEM&SAED图；[0015] 图2为本发明实施例磷化钴薄膜的充放电曲线。

具体实施方式

[0016] 实施例：一种锂离子电池负极，包括电极基片、基片表面的负极薄膜，其基片表面的负极薄膜为磷化钴(CoP3)薄膜，基片为不锈钢片，磷化钴薄膜的厚度为0.2-1μm。[0017] 其制备方法是：

[0018] a.将金属钴粉末与赤磷粉混合，混合比例是金属钴比赤磷粉为1∶2(摩尔比)，混合均匀研磨，压片制成脉冲激光沉积所用的靶；[0019] b.将靶和基片放入真空沉积腔内，靶与基片距离25-50mm，工作气体为氩气气氛，基片温度为500-700℃；

[0020] c.由掺钕钇铝榴石激光器产生的1064nm基频经三倍频后获得355nm脉冲激光，激光束经透镜聚焦后入射到靶上，经激光束激发的粒子溅射到基片上，在基片上沉积得到磷化钴薄膜，其中激光束能量密度为2～4J·cm-2，沉积时间为1小时。

[0021] 本实施例经透射电镜结合选区电子衍射(TEM&SAED)测定表明：在图1(a)中可以观察到比较清晰的晶格条纹，图1(b)中有一组衍射环，可以分别归属到CoP3的(013)，(321)和(422)晶面(JCPDS card no.73-1239)，表明得到的磷化钴为体心立方结构。结果表明在高温沉积条件下，通过控制激光功率，气压等参数，可以利用单质混合靶得到纳米CoP3薄膜。和现有有关CoP3材料复杂的合成方法比较起来，物理沉积的方法省时省力，同时无需在制备电极过程中加入导电剂，节省了工艺步骤和其他添加剂可能对材料带来的不利影响。

[0022] 图2中对不锈钢基片上的磷化钴(CoP3)薄膜电极的电化学性能测试结果如下：其中(a)为电压-容量关系图；(b)为容量-循环次数图。

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[0023] 磷化钴(CoP3)薄膜电极可在5μA/cm充放电速率下进行充放电循环。在电压范围1.0-2.0V内，第一次放电容量可达1050mAh/g，第二次放电容量为820mAh/g左右，循环25次后容量保持在800mAh/g以上。[0024] 因此，在不锈钢片上沉积的磷化钴(CoP3)薄膜可用作锂离子电池的负极材料。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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