一种锂离子电池透明正极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种透明正极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池作为新一代二次电池，它能量密度高、安全性好、寿命长，是目前最有前景的能量储存装置，广泛应用于便携式电子产品、混合动力车等。锂离子电池主要由正极、负极、电解质组成，这三部分材料的研究和开发成为锂离子电池发展的关键。随着电子技术的迅速发展，尤其是新型智能产品的开发，使锂离子电池面临更大的挑战。如新型透明锂离子电池的开发在未来大有用途，可用于透明电子器件、智能化包装、射频传感器以及电子纸产品等领域。
[0003]然而，现有锂离子电池还无法应用于全透明电子器件领域，这是由于现有正极材料受在可见光范围内的透过率所限，解决正极材料的透明性问题，可以将锂离子电池的应用范围扩展到全透明电子器件领域。目前，还没有任何专门针对透明正极材料的研究工作，这是因为常用的电极材料如LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4等，只能确保充放电比容量，无法满足在可见光波段透过率的要求。因此，新型透明正极材料的开发对本领域具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种锂离子电池透明正极材料，该透明正极材料除了具备透明性以外，还能确保一定的充放电比容量。
[0005]本发明的另一个目的是提供一种制备所述锂离子电池透明正极材料的制备方法。
[0006]为达到上述目标，本发明所采用的技术方案是:所述透明正极材料由基板、基板上的电荷传输层和锂离子储存层组成，在可见光波段的平均透过率在70~80%之间，首次充放电比容量在300mAh/g以上。
[0007]所述的基板为玻璃、石英或有机柔性聚合物。
[0008]所述的有机柔性聚合物为聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
[0009]所述的电荷传输层为ITO或ΑΖ0。
[0010]所述的锂离子储存层为LiV3O8,在可见光波段的平均透过率在80%以上，首次充放电比容量在350mAh/g以上。
[0011]所述锂离子电池透明正极材料的制备方法是采用磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法在清洁处理后的基板上制备所述ITO或AZO电荷传输层，厚度为0.30-0.50Mm，然后采用离子辅助磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法在电荷传输层上原位制备所述锂离子储存层LiV3O8,厚度为0.30-1.0OMm。
[0012]所述离子辅助磁控溅射法制备锂离子储存层以LiV3O8为靶材，氩气流量50~150sccm,溅射气压 0.2-1.0Pa,沉积温度为 100~200°C，离子源 100~400W，偏压 0~100V，中频磁控溅射功率600~2000W，厚度为0.30-1.0OMm。
[0013]所述电子束蒸发法制备锂离子储存层以LiV3O8为层料，电子枪加速电压2~8kV，电子束流20~60mA，氧气流量10~40sccm，离子束流10~50mA，厚度为0.30-1.0OMm。
[0014]所述脉冲激光沉积法制备锂离子储存层以LiV3O8为靶材，激光频率2~8Hz，激光能量 100~300mJ，氧气压 0.10-0.40Pa，厚度为 0.30-1.0OMm0
[0015]将锂离子储存层LiV3O8单独沉积在金属和玻璃衬底上，可用于测试该层的电化学性能和透过率。测试结果表明:本发明的锂离子储存层在可见光波段的平均透过率在80%以上，首次充放电比容量在350mAh/g以上。
[0016]本发明的锂离子电池透明正极材料可直接与电池负极片金属锂组装成锂离子电池进行性能测试。电解液是含lmol/L LiPFf^ DEC+EC，体积比DEC: EC = 7: 3，DEC为碳酸二乙酯，EC为碳酸乙烯酯，锂离子电池装配过程在相对湿度低于1%的干燥手套箱中完成。
[0017]对上述组装的锂离子电池做电化学性能测试:将电池放置12小时后，测试恒流充放电，充放电电压为1.8-3.8V，在50uA/cm2充放电电流密度下测量锂离子电池的放电比容量和充放电循环性能。测试结果表明:本发明的锂离子电池透明正极材料的首次充放电比容量为300~350mAh/g ；100次循环后容量仍然可以保持在80%以上。可见，上述组装得到的锂离子电池透明正极材料的充放电容量高，循环稳定性好。
[0018]与现有锂离子电池正极材料相比，本发明具有以下有益效果:通过对膜层体系的选择和沉积工艺参数的有效调控，在基板上依次原位生长电荷传输层和具有一定可见光透过率的锂离子储存层，满足电荷传输层和锂离子存储层界面之间的晶体结构、表面粗糙度、结合力等匹配性要求，实现电荷传输层与锂离子储存层之间的电化学兼容性，从而得到同时具有较好的透明性和充放电比容量的透明正极材料，且该透明正极材料的循环稳定性好，适用于新型透明锂离子电池系统，可拓展锂离子电池的应用领域。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1在可见光范围内锂离子电池透明正极材料的透射曲线。
[0020]图2为实施例2锂离子电池透明正极材料首次充放电曲线。
[0021]图3为实施例3锂离子电池透明正极材料100次循环充放电的放电比容量随循环次数关系图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
本实施例的透明正极材料由玻璃基板，0.30MmAZ0电荷传输层和0.90MmLiV30s锂离子储存层组成。
[0023]采用离子辅助磁控溅射制备方法:
1.将玻璃表面进行超声波清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度4.0X10 3Pa,温度为室温，氩尚子轰击清洗，气压为0.2Pa，尚子源300W，偏压600V，时间为15min ；
2.沉积AZO电荷传输层:采用ZnO: Al2O3为靶材，氩气流量40sccm，氩气压0.1Paj^积温度为室温，离子源300W，直流磁控溅射功率600W，时间30min，厚度0.30Mm ;
3.沉积LiV3O8锂离子储存层:采用LiV308为勒!材，氩气流量90sccm，氩气压0.6Pa，沉积温度为150°C，离子源300W，偏压50V，中频磁控溅射功率1000W，时间2小时，厚度0.90Mm，该LiV3O8层在可见光波段的平均透过率为84%，首次充放电比容量为388mAh/g。
[0024]得到的锂离子电池透明正极材料在可见光波段的平均透过率为80%，首次放电比容量为341mAh/g，100次容量保持率为84%。
[0025]实施例2
本实施例的透明正极材料由石英基板，0.40PmIT0电荷传输层和0.60MmLiV30s锂离子储存层组成。
[0026]采用电子束蒸发制备方法:
1.将石英表面进行超声波清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度
1.0X10 3Pa,温度为 150°C ；
2.沉积ITO电荷传输层:采用In2O3: SnO2S层料，电子枪加速电压
4kV，电子束流20mA，氧气流量18sccm，离子束流30mA，时间50min，厚度0.40Mm ；
3.沉积LiV3O8锂离子储存层:采用LiV3O8为层料，电子枪加速电压6kV，电子束流45mA，氧气流量26sccm，离子束流30mA，时间40min，厚度0.60Pm，沉积得到的LiV3O8层在可见光波段的平均透过率为80%，首次放电比容量为350mAh/g。
[0027]得到的锂离子电池透明正极材料在可见光波段的平均透过率为75%，首次放电比容量为305mAh/g，100次容量保持率为80%。
[0028]实施例3
本实施例的透明正极材料由聚碳酸酯基板，0.45PmAZ0电荷传输层和0.35MmLiV30s锂离子储存层组成。
[0029]采用脉冲激光制备方法:
1.将聚碳酸酯表面进行超声波清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度1.0X103Pa，温度为室温；
2.沉积AZO电荷传输层:采用ZnO=Al2O3为靶材，激光频率5Hz，激光能量250mJ，氧气压 0.1Pa,时间 50min，厚度 0.45Mm ；
3.沉积LiV3O8锂离子储存层:采用LiV308为靶材，激光频率5Hz，激光能量200mJ，氧气压0.25Pa，时间30min，厚度0.35Mm。该LiV3O8层在可见光波段的平均透过率为82%，首次充放电比容量为364mAh/g。
[0030]沉积得到的电荷传输层和锂离子储存层无明显裂纹，说明聚碳酸酯柔性基板与层间的粘附性好，该透明正极材料在可见光波段的平均透过率为71%，首次放电比容量为312mAh/g，100次容量保持率为82%。
【主权项】
1.一种锂离子电池透明正极材料，其特征在于该透明正极材料由基板、基板上的电荷传输层和锂离子储存层组成，在可见光波段的平均透过率在70~80%，首次充放电比容量在.300~350mAh/go2.根据权利要求1所述的锂离子电池透明正极材料，其特征在于所述基板为玻璃、石英或有机柔性聚合物。3.根据权利要求2所述的锂离子电池透明正极材料，其特征在于所述有机柔性聚合物为聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。4.根据权利要求1所述的锂离子电池透明正极材料，其特征在于所述电荷传输层为ITO 或 ΑΖ0。5.根据权利要求1所述的锂离子电池透明正极材料，其特征在于所述锂离子储存层为LiV3Oso6.权利要求1所述的锂离子电池透明正极材料的制备方法，其特征在于采用磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法在清洁处理后的基板上制备所述ITO或AZO电荷传输层，厚度为0.30-0.50Mm，其特征在于采用离子辅助磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法在电荷传输层上原位制备所述锂离子储存层LiV3O8，厚度为0.30-1.0OMm。7.根据权利要求6所述的锂离子电池透明正极材料的制备方法，其特征在于所述锂离子储存层LiV3O8的制备方法是LiV3O8为靶材，氩气流量50~150sCCm，溅射气压0.2-1.0Pa,沉积温度为100~200°C，离子源100~400W，偏压0~100V，中频磁控溅射功率600~2000W，厚度为 0.30-1.0OMfl18.根据权利要求6所述的锂离子电池透明正极材料的制备方法，其特征在于所述锂离子储存层LiV3O8的制备方法是LiV3O8为层料，电子枪加速电压2~8kV，电子束流20~60mA，氧气流量10~40sccm，离子束流10~50mA，厚度为0.30-1.0OMm。9.根据权利要求6所述的锂离子电池透明正极材料的制备方法，其特征在于所述锂离子储存层LiV3O8的制备方法是LiV3O8为靶材，激光频率2~8Hz，激光能量100~300mJ，氧气压.0.10-0.40Pa，厚度为 0.30-1.0OMm0
【专利摘要】一种锂离子电池透明正极材料及其制备方法。其结构由基板、基板上的电荷传输层和锂离子储存层组成。锂离子电池透明正极材料的制备方法，采用磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法在清洁处理后的基板上制备所述ITO或AZO电荷传输层；采用离子辅助磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法在电荷传输层上原位制备所述锂离子储存层LiV3O8。本发明的锂离子电池透明正极材料在可见光波段的平均透过率在70~80%，首次充放电比容量为300~350mAh/g，100次循环后容量仍然可以保持在80%以上。上述组装得到的锂离子电池透明正极材料的充放电容量高，循环稳定性好，可应用于新型透明锂离子电池领域。
【IPC分类】H01M4/62, H01M4/36, H01M4/58, H01M10/0525
【公开号】CN105118963
【申请号】CN201510428511
【发明人】石倩, 代明江, 周克崧, 林松盛, 侯惠君, 胡芳, 胡亮, 韦春贝
【申请人】广州有色金属研究院
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月21日