一種鋰離子電池透明正極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種透明正極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池作為新一代二次電池，它能量密度高、安全性好、壽命長，是目前最有前景的能量儲存裝置，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、混合動力車等。鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)組成，這三部分材料的研究和開發(fā)成為鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是新型智能產(chǎn)品的開發(fā)，使鋰離子電池面臨更大的挑戰(zhàn)。如新型透明鋰離子電池的開發(fā)在未來大有用途，可用于透明電子器件、智能化包裝、射頻傳感器以及電子紙產(chǎn)品等領(lǐng)域。
[0003]然而，現(xiàn)有鋰離子電池還無法應(yīng)用于全透明電子器件領(lǐng)域，這是由于現(xiàn)有正極材料受在可見光范圍內(nèi)的透過率所限，解決正極材料的透明性問題，可以將鋰離子電池的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到全透明電子器件領(lǐng)域。目前，還沒有任何專門針對透明正極材料的研究工作，這是因?yàn)槌Ｓ玫碾姌O材料如LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4等，只能確保充放電比容量，無法滿足在可見光波段透過率的要求。因此，新型透明正極材料的開發(fā)對本領(lǐng)域具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種鋰離子電池透明正極材料，該透明正極材料除了具備透明性以外，還能確保一定的充放電比容量。
[0005]本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備所述鋰離子電池透明正極材料的制備方法。
[0006]為達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:所述透明正極材料由基板、基板上的電荷傳輸層和鋰離子儲存層組成，在可見光波段的平均透過率在70~80%之間，首次充放電比容量在300mAh/g以上。
[0007]所述的基板為玻璃、石英或有機(jī)柔性聚合物。
[0008]所述的有機(jī)柔性聚合物為聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
[0009]所述的電荷傳輸層為ITO或ΑΖ0。
[0010]所述的鋰離子儲存層為LiV3O8,在可見光波段的平均透過率在80%以上，首次充放電比容量在350mAh/g以上。
[0011]所述鋰離子電池透明正極材料的制備方法是采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法在清潔處理后的基板上制備所述ITO或AZO電荷傳輸層，厚度為0.30-0.50Mm，然后采用離子輔助磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法在電荷傳輸層上原位制備所述鋰離子儲存層LiV3O8,厚度為0.30-1.0OMm。
[0012]所述離子輔助磁控濺射法制備鋰離子儲存層以LiV3O8為靶材，氬氣流量50~150sccm,濺射氣壓 0.2-1.0Pa,沉積溫度為 100~200°C，離子源 100~400W，偏壓 0~100V，中頻磁控濺射功率600~2000W，厚度為0.30-1.0OMm。
[0013]所述電子束蒸發(fā)法制備鋰離子儲存層以LiV3O8為層料，電子槍加速電壓2~8kV，電子束流20~60mA，氧氣流量10~40sccm，離子束流10~50mA，厚度為0.30-1.0OMm。
[0014]所述脈沖激光沉積法制備鋰離子儲存層以LiV3O8為靶材，激光頻率2~8Hz，激光能量 100~300mJ，氧氣壓 0.10-0.40Pa，厚度為 0.30-1.0OMm0
[0015]將鋰離子儲存層LiV3O8單獨(dú)沉積在金屬和玻璃襯底上，可用于測試該層的電化學(xué)性能和透過率。測試結(jié)果表明:本發(fā)明的鋰離子儲存層在可見光波段的平均透過率在80%以上，首次充放電比容量在350mAh/g以上。
[0016]本發(fā)明的鋰離子電池透明正極材料可直接與電池負(fù)極片金屬鋰組裝成鋰離子電池進(jìn)行性能測試。電解液是含lmol/L LiPFf^ DEC+EC，體積比DEC: EC = 7: 3，DEC為碳酸二乙酯，EC為碳酸乙烯酯，鋰離子電池裝配過程在相對濕度低于1%的干燥手套箱中完成。
[0017]對上述組裝的鋰離子電池做電化學(xué)性能測試:將電池放置12小時(shí)后，測試恒流充放電，充放電電壓為1.8-3.8V，在50uA/cm2充放電電流密度下測量鋰離子電池的放電比容量和充放電循環(huán)性能。測試結(jié)果表明:本發(fā)明的鋰離子電池透明正極材料的首次充放電比容量為300~350mAh/g ；100次循環(huán)后容量仍然可以保持在80%以上。可見，上述組裝得到的鋰離子電池透明正極材料的充放電容量高，循環(huán)穩(wěn)定性好。
[0018]與現(xiàn)有鋰離子電池正極材料相比，本發(fā)明具有以下有益效果:通過對膜層體系的選擇和沉積工藝參數(shù)的有效調(diào)控，在基板上依次原位生長電荷傳輸層和具有一定可見光透過率的鋰離子儲存層，滿足電荷傳輸層和鋰離子存儲層界面之間的晶體結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、結(jié)合力等匹配性要求，實(shí)現(xiàn)電荷傳輸層與鋰離子儲存層之間的電化學(xué)兼容性，從而得到同時(shí)具有較好的透明性和充放電比容量的透明正極材料，且該透明正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性好，適用于新型透明鋰離子電池系統(tǒng)，可拓展鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1在可見光范圍內(nèi)鋰離子電池透明正極材料的透射曲線。
[0020]圖2為實(shí)施例2鋰離子電池透明正極材料首次充放電曲線。
[0021]圖3為實(shí)施例3鋰離子電池透明正極材料100次循環(huán)充放電的放電比容量隨循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
本實(shí)施例的透明正極材料由玻璃基板，0.30MmAZ0電荷傳輸層和0.90MmLiV30s鋰離子儲存層組成。
[0023]采用離子輔助磁控濺射制備方法:
1.將玻璃表面進(jìn)行超聲波清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度4.0X10 3Pa,溫度為室溫，氬尚子轟擊清洗，氣壓為0.2Pa，尚子源300W，偏壓600V，時(shí)間為15min ；
2.沉積AZO電荷傳輸層:采用ZnO: Al2O3為靶材，氬氣流量40sccm，氬氣壓0.1Paj^積溫度為室溫，離子源300W，直流磁控濺射功率600W，時(shí)間30min，厚度0.30Mm ;
3.沉積LiV3O8鋰離子儲存層:采用LiV308為勒!材，氬氣流量90sccm，氬氣壓0.6Pa，沉積溫度為150°C，離子源300W，偏壓50V，中頻磁控濺射功率1000W，時(shí)間2小時(shí)，厚度0.90Mm，該LiV3O8層在可見光波段的平均透過率為84%，首次充放電比容量為388mAh/g。
[0024]得到的鋰離子電池透明正極材料在可見光波段的平均透過率為80%，首次放電比容量為341mAh/g，100次容量保持率為84%。
[0025]實(shí)施例2
本實(shí)施例的透明正極材料由石英基板，0.40PmIT0電荷傳輸層和0.60MmLiV30s鋰離子儲存層組成。
[0026]采用電子束蒸發(fā)制備方法:
1.將石英表面進(jìn)行超聲波清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度
1.0X10 3Pa,溫度為 150°C ；
2.沉積ITO電荷傳輸層:采用In2O3: SnO2S層料，電子槍加速電壓
4kV，電子束流20mA，氧氣流量18sccm，離子束流30mA，時(shí)間50min，厚度0.40Mm ；
3.沉積LiV3O8鋰離子儲存層:采用LiV3O8為層料，電子槍加速電壓6kV，電子束流45mA，氧氣流量26sccm，離子束流30mA，時(shí)間40min，厚度0.60Pm，沉積得到的LiV3O8層在可見光波段的平均透過率為80%，首次放電比容量為350mAh/g。
[0027]得到的鋰離子電池透明正極材料在可見光波段的平均透過率為75%，首次放電比容量為305mAh/g，100次容量保持率為80%。
[0028]實(shí)施例3
本實(shí)施例的透明正極材料由聚碳酸酯基板，0.45PmAZ0電荷傳輸層和0.35MmLiV30s鋰離子儲存層組成。
[0029]采用脈沖激光制備方法:
1.將聚碳酸酯表面進(jìn)行超聲波清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度1.0X103Pa，溫度為室溫；
2.沉積AZO電荷傳輸層:采用ZnO=Al2O3為靶材，激光頻率5Hz，激光能量250mJ，氧氣壓 0.1Pa,時(shí)間 50min，厚度 0.45Mm ；
3.沉積LiV3O8鋰離子儲存層:采用LiV308為靶材，激光頻率5Hz，激光能量200mJ，氧氣壓0.25Pa，時(shí)間30min，厚度0.35Mm。該LiV3O8層在可見光波段的平均透過率為82%，首次充放電比容量為364mAh/g。
[0030]沉積得到的電荷傳輸層和鋰離子儲存層無明顯裂紋，說明聚碳酸酯柔性基板與層間的粘附性好，該透明正極材料在可見光波段的平均透過率為71%，首次放電比容量為312mAh/g，100次容量保持率為82%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋰離子電池透明正極材料，其特征在于該透明正極材料由基板、基板上的電荷傳輸層和鋰離子儲存層組成，在可見光波段的平均透過率在70~80%，首次充放電比容量在.300~350mAh/go2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池透明正極材料，其特征在于所述基板為玻璃、石英或有機(jī)柔性聚合物。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池透明正極材料，其特征在于所述有機(jī)柔性聚合物為聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池透明正極材料，其特征在于所述電荷傳輸層為ITO 或 ΑΖ0。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池透明正極材料，其特征在于所述鋰離子儲存層為LiV3Oso6.權(quán)利要求1所述的鋰離子電池透明正極材料的制備方法，其特征在于采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法在清潔處理后的基板上制備所述ITO或AZO電荷傳輸層，厚度為0.30-0.50Mm，其特征在于采用離子輔助磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法在電荷傳輸層上原位制備所述鋰離子儲存層LiV3O8，厚度為0.30-1.0OMm。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋰離子電池透明正極材料的制備方法，其特征在于所述鋰離子儲存層LiV3O8的制備方法是LiV3O8為靶材，氬氣流量50~150sCCm，濺射氣壓0.2-1.0Pa,沉積溫度為100~200°C，離子源100~400W，偏壓0~100V，中頻磁控濺射功率600~2000W，厚度為 0.30-1.0OMfl18.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋰離子電池透明正極材料的制備方法，其特征在于所述鋰離子儲存層LiV3O8的制備方法是LiV3O8為層料，電子槍加速電壓2~8kV，電子束流20~60mA，氧氣流量10~40sccm，離子束流10~50mA，厚度為0.30-1.0OMm。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋰離子電池透明正極材料的制備方法，其特征在于所述鋰離子儲存層LiV3O8的制備方法是LiV3O8為靶材，激光頻率2~8Hz，激光能量100~300mJ，氧氣壓.0.10-0.40Pa，厚度為 0.30-1.0OMm0
【專利摘要】一種鋰離子電池透明正極材料及其制備方法。其結(jié)構(gòu)由基板、基板上的電荷傳輸層和鋰離子儲存層組成。鋰離子電池透明正極材料的制備方法，采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法在清潔處理后的基板上制備所述ITO或AZO電荷傳輸層；采用離子輔助磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法在電荷傳輸層上原位制備所述鋰離子儲存層LiV3O8。本發(fā)明的鋰離子電池透明正極材料在可見光波段的平均透過率在70~80%，首次充放電比容量為300~350mAh/g，100次循環(huán)后容量仍然可以保持在80%以上。上述組裝得到的鋰離子電池透明正極材料的充放電容量高，循環(huán)穩(wěn)定性好，可應(yīng)用于新型透明鋰離子電池領(lǐng)域。
【IPC分類】H01M4/62, H01M4/36, H01M4/58, H01M10/0525
【公開號】CN105118963
【申請?zhí)枴緾N201510428511
【發(fā)明人】石倩, 代明江, 周克崧, 林松盛, 侯惠君, 胡芳, 胡亮, 韋春貝
【申請人】廣州有色金屬研究院
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年7月21日