錫和錫碳嵌鋰薄膜材料的真空濺射制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著信息時(shí)代多功能便攜式和高能量電子設(shè)備的需求日益增長，以及為減小環(huán)境污染而提出的使用電動(dòng)汽車的迫切要求，開發(fā)高比容量、高穩(wěn)定性、高安全性、長壽命、低成本的新型鋰離子電池負(fù)極材料顯得尤為迫切。本文在綜合評述了鋰離子電池及其負(fù)極材料研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，選取錫(Sn)基負(fù)極材料作為研究對象，采用真空濺射技術(shù)，在銅箔基片上制備了不同工藝參數(shù)的Sn、Sn/C復(fù)合/多層膜。采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、

2、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)等技術(shù)和設(shè)備，以及循環(huán)伏安(CV)、恒電流充放電等電化學(xué)測試方法，重點(diǎn)研究了制備方法、工藝參數(shù)對Sn、Sn/C復(fù)合/多層膜的形貌、成份、相結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能等影響，為利用真空濺射技術(shù)開發(fā)新型的錫基薄膜負(fù)極材料提供了理論依據(jù)和關(guān)鍵制備技術(shù)。 研究了制備方法對Sn薄膜微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，直流磁控濺射制備的Sn薄膜電極首次嵌鋰容量為771.3mAh/g，30次循環(huán)后容量降至98.9mAh

3、/g；而射頻磁控濺射制備的Sn薄膜電極首次嵌鋰容量為653.75mAh/g，30次循環(huán)后容量保持在515mAh/g，具有較好的電化學(xué)性能。 研究了射頻濺射功率對Sn薄膜沉積速率、微結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，功率與沉積速率存在近似線性關(guān)系；隨著濺射功率的增加，薄膜的晶化加劇，晶粒粗化；當(dāng)功率達(dá)400W時(shí)，錫銅相互擴(kuò)散生成Cu6Sn5合金相；250 W功率下制備的Sn薄膜電極具有最優(yōu)的電化學(xué)性能。 研究了濺射時(shí)間對S

4、n薄膜微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著濺射時(shí)間增加，薄膜晶化加劇，晶粒先增大后呈細(xì)化趨勢；當(dāng)濺射時(shí)間為15min時(shí)，Sn薄膜電極具有最優(yōu)的循環(huán)性能：首次庫倫效率為69％，30次循環(huán)后容量保持在650mAh/g。 研究了200℃熱處理對Sn薄膜表面形貌、組織結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，熱處理后薄膜出現(xiàn)了Cu<,6>Sn<,5>和Cu<,3>Sn，改善了膜層與基體的結(jié)合力及綜合電化學(xué)性能：首次嵌鋰容量達(dá)707mAh/g

5、，首次庫侖效率為83％，此后穩(wěn)定在95％左右，30次循環(huán)后容量為652mAh/g，電化學(xué)性能有了較大改善。 研究了石墨含量對Sn/C復(fù)合薄膜形貌和電化學(xué)性能的影響。隨著石墨含量的增加，Sn/C復(fù)合薄膜電極的首次嵌鋰容量逐漸降低，首次庫倫效率逐漸升高，首次容量損失呈減少趨勢。 研究了Sn/C多層膜的微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，Sn/C多層膜的30次循環(huán)后容量為250mAh/g；其庫侖效率基本維持在95％，Sn/C多層膜結(jié)