磁控濺射制備高價(jià)氮化物并用于鋰離子電池電極材料的研究.pdf

1、鋰離子電池具有高電壓,高容量,大功率,放電平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn),因而已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,包括移動電話電池、電動汽車等。而納米金屬氮化物等是近年來鋰離子電池負(fù)極材料研究的熱點(diǎn)之一,由于其具有低電位、非常平的反應(yīng)平臺、高度可逆的反應(yīng)特性和大的容量被廣泛期望應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。目前世界上已經(jīng)有大量的金屬氮化物的鋰電性能研究的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)室也曾在先前的研究中報(bào)道過M3N(M=Fe,Co,Ni)的鋰電反應(yīng)機(jī)制。但是這些己報(bào)道的氮化物中金屬的價(jià)態(tài)大多集中

2、在低價(jià)(主要為+1價(jià))。當(dāng)?shù)锱cLi發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng),且金屬M(fèi)和鋰離子不發(fā)生合金反應(yīng)時(shí),其反應(yīng)方程式可表述為:
　　 (Nx+)3/xN+3Li←→x/3M+Li3N
　　 易知,其質(zhì)量比容量(單位mAh/g)與(Mx+)3/xN的質(zhì)量(3/x*金屬分子量+N的分子量)成反比。當(dāng)金屬價(jià)態(tài)增大時(shí),會帶來質(zhì)量比容量的上升?；谶@種考慮,我們設(shè)計(jì)并利用磁控濺射手段制備了高價(jià)(+3價(jià))氮化物負(fù)極材料(包括CrN,VN和系列三元氮化

3、物CrxFe1-xN等),并進(jìn)行了相關(guān)測試
　　 作者最先用Cr靶在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行反應(yīng)磁控濺射從而沉積于不銹鋼基片上,將取得的薄膜分別進(jìn)行了XRD、TEM等表征確定了其主要成分為晶態(tài)CrN。經(jīng)電化學(xué)測試知,它具有很高的可逆容量,達(dá)1200mAk/g(每分子式CrN對應(yīng)3.0Li)并有很好的循環(huán)性能。這個容量大于Cr2O3等大部分氧化物。CV曲線顯示其經(jīng)歷多步反應(yīng)機(jī)制。其后使用XRD,TEM&SAED對電極的充放電產(chǎn)物進(jìn)行了研究,

4、并揭示了它的高度可逆晶化反應(yīng)歷程。
　　 然而,CrN仍然承受著高極化帶來的負(fù)面因素,因而對其實(shí)際應(yīng)用起到很大的限制作用。而低電子、離子導(dǎo)電率往往是極化的主要因素。先前曾有報(bào)道VN具有非常低的電子阻抗,所以可以期望VN有較低的極化。VN中V和CrN中Cr同樣具有+3價(jià)態(tài),所以同樣提供了很高的理論容量(1236mAhg-1)。故而,對VN作為鋰離子電池電極材料的研究是必要而值得期待的。
　　 同樣,作者使用V靶在氮?dú)鈿夥障?/p>

5、進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射從而沉積于不銹鋼基片上,將取得的薄膜分別進(jìn)行了XRD、TEM等表征確定了其主要成分為晶態(tài)VN。經(jīng)電化學(xué)測試知,與CrN相似它具有很高的可逆容量,達(dá)1156mAh/g并有很好的循環(huán)性能。CV曲線同樣顯示其經(jīng)歷多步反應(yīng)機(jī)制。電極的充放電產(chǎn)物經(jīng)XRD,TEM&SAED等方法進(jìn)行了研究。VN的電極反應(yīng)可逆程度與CrN相比不夠高,因而其循環(huán)性能略差于CrN。然而與預(yù)期一樣,VN比CrN的極化降低較大。因而,VN的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值相對較

6、高。
　　 最后作者通過直流磁控濺射Cr-Fe混合靶材料制備了系列三元金屬氮化物Cr1-xFexN(0＜=x＜=1)并對它們的鋰電行為進(jìn)行了研究。首先對不同Cr:Fe比例的薄膜材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了XRD、HRTEM表征并用SEM&EDS方法對薄膜的組成進(jìn)行了表征。在電化學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)這系列化合物均具有較高的容量和可逆性能。尤其當(dāng)0＜x＜l時(shí),這些化合物相對純CrN具有更小的極化而相對純FeN具有更好的循環(huán)性能,因而是一種值得期待的鋰電