用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材及其制备方法与流程

1.本发明涉及大规模储能、动力能源领域，特别是涉及用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材及其制备方法。


背景技术：

2.锂电池包括锂离子电池，具备重量轻、比能量高等特点，逐步发展成为最具竞争力的电化学电源。现有的锂离子电池内部具有液态电解质，存在着易泄露、易腐蚀、使用寿命短、安全性差、可靠性低等问题，不能完全满足规模化工业储能在安全性方面的要求。以固体电解质替代液态电解液的全固态锂电池，有效地彻底解决了电池的安全性问题。面对新能源储能和智能电网等的需求，近年来具备高安全性的全固态锂电池备受关注。
3.然而，固态材料由于具有一定的刚性和强度，在组成电池时，不同固态材料的各个接触面不能完全达到紧密无间隙地完全贴合，使得全固态锂电池的接触面电阻非常高，从而显著降低了电池的性能，这导致全固态电池的能量密度、比能量、比功率、能量效率以及能量保持率均有限，目前的应用主要局限于小型系统的电源，尚无法应用于大容量储能系统，这是全固态电池制造中难以克服的难题。
4.发明人认识到，采用磁控溅射镀膜的方式制备全固态电池，可有效解决接触面电阻高的问题，然而，磁控溅射镀膜需要适当的靶材。如何制备正极靶材，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
5.本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本技术背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是要提供一种至少部分地解决上述问题的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材及其制备方法。
7.本发明一个进一步的目的是要专门针对采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池的方案，提供一种全新的锰酸锂正极靶材的制备方法。
8.根据本发明的一方面，提供了一种用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材的制备方法，包括：
9.预混步骤，按照预设比例将锂盐粉末与二氧化锰粉末以及氧化锰粉末相混合，得到预混粉末，其中锂盐粉末选自氧化锂、碳酸锂以及硝酸锂所形成的物质组中；
10.球磨步骤，在球磨罐内将预混粉末与具有预设粒径大小的氧化锆球相混合，并添加分散剂，之后先按照预设的第一转速和第一时长进行球磨，然后按照预设的第二转速和第二时长进行球磨，再添加预设重量的粘结剂，而后再按照预设的第三转速和第三时长进行球磨，得到合成粉末；
11.过筛步骤，将合成粉末过筛；
12.压制步骤，将过筛后的合成粉末先进行震动加压，然后再采用冷等静压方式进行
加压，得到坯料；
13.烧结步骤，将坯料按照预设的升温程序进行烧结，得到烧结料，其中，升温程序包括多组一一对应的控温温度和控温时长，且每组控温温度和控温时长分别对应设置有适用的烧结气氛；
14.冷却步骤，将烧结料进行冷却，得到锰酸锂正极靶材。
15.可选地，在球磨步骤中，氧化锆球的粒径为0.5mm～6mm，其总体积与球磨罐的容积之比不大于三分之一，且预混粉末与氧化锆球的总体积与球磨罐的容积之比为二分之一。
16.可选地，在球磨步骤中，球磨罐由硬质陶瓷材料制成。
17.可选地，在球磨步骤中，分散剂的重量为预混粉末的总重量的千分之三。
18.可选地，在球磨步骤中，第一转速为40rpm～70rpm，第一时长为3h，第二转速为200rpm，第二时长为16h以上。
19.可选地，在球磨步骤中，粘结剂的重量为预混粉末的总重量的千分之一；且
20.第三转速为55rpm，第三时长为10h。
21.可选地，在过筛步骤中，过500目的筛。
22.可选地，在压制步骤的震动加压过程中，加压1500t。
23.可选地，在压制步骤的采用冷等静压方式进行加压的过程中，加压300mpa，保压60min。
24.可选地，在烧结步骤中，按照先后顺序：
25.升温程序的第一组控温温度和控温时长分别为180℃，6h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例8：2)或者真空度为10-3
pa；
26.升温程序的第二组控温温度和控温时长分别为500℃，12h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例7：3)或者真空度为10-3
pa；
27.升温程序的第三组控温温度和控温时长分别为700℃，20h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例7：3)或者真空度为10-3
pa；
28.升温程序的第四组控温温度和控温时长分别为770℃，16h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例7：3)或者真空度为10-3
pa；
29.升温程序的第五组控温温度和控温时长分别为950℃，12h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例5：5)或者真空度为10-3
pa；
30.升温程序的第六组控温温度和控温时长分别为450℃，3h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例5：5)或者真空度为10-3
pa。
31.根据本发明的另一方面，还提供了一种如上述任一项的制备方法所制备的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材。
32.本发明的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材及其制备方法，能够专门适用于采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池的方案，解决了采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池过程中所存在的“无可用的合适靶材”问题。基于本发明所制备的锰酸锂正极靶材以及磁控溅射镀膜技术，制得的全固态薄膜锂电池的接触面电阻明显降低，显著提高了电池的性能。
33.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
34.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
35.图1是根据本发明一个实施例的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材的制备方法的示意图。
具体实施方式
36.图1是根据本发明一个实施例的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材的制备方法的示意图。
37.锰酸锂正极靶材的制备方法一般性地可包括如下步骤：
38.步骤a：预混步骤，按照预设比例将锂盐粉末与二氧化锰粉末以及氧化锰粉末相混合，得到预混粉末，其中锂盐粉末选自氧化锂、碳酸锂以及硝酸锂所形成的物质组中。
39.步骤b：球磨步骤，在球磨罐内将预混粉末与具有预设粒径大小的氧化锆球相混合，并添加分散剂，之后先按照预设的第一转速和第一时长进行球磨，然后按照预设的第二转速和第二时长进行球磨，再添加预设重量的粘结剂，而后再按照预设的第三转速和第三时长进行球磨，得到合成粉末。
40.步骤c：过筛步骤，将合成粉末过筛。
41.步骤d：压制步骤，将过筛后的合成粉末先进行震动加压，然后再采用冷等静压方式进行加压，得到坯料。
42.步骤e：烧结步骤，将坯料按照预设的升温程序进行烧结，得到烧结料，其中，升温程序包括多组一一对应的控温温度和控温时长，且每组控温温度和控温时长分别对应设置有适用的烧结气氛。
43.步骤f：冷却步骤，将烧结料进行冷却，得到锰酸锂正极靶材。
44.本发明的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材及其制备方法，能够专门适用于采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池的方案，解决了采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池过程中所存在的“无可用的合适靶材”问题。基于本发明所制备的锰酸锂正极靶材以及磁控溅射镀膜技术，制得的全固态薄膜锂电池的接触面电阻明显降低，显著提高了电池的性能。
45.在预混步骤中，“锂盐粉末选自氧化锂、碳酸锂以及硝酸锂所形成的物质组中”是指，锂盐粉末为氧化锂、碳酸锂以及硝酸锂中的一种或多种。预混粉末的比例可以根据实际需要进行设置，要保证产品各个元素的比例即可。
46.在球磨步骤中，氧化锆球的粒径为0.5mm～6mm，其总体积与球磨罐的容积之比不大于三分之一，且预混粉末与氧化锆球的总体积与球磨罐的容积之比为二分之一。
47.在球磨步骤中，球磨罐由硬质陶瓷材料制成。球磨罐可置于球磨机内。球磨步骤的转速和时长可通过球磨机进行控制。
48.在球磨步骤中，分散剂的重量为预混粉末的总重量的千分之三。
49.在球磨步骤中，第一转速为40rpm～70rpm，第一时长为3h，第二转速为200rpm，第二时长为16h以上。
50.在球磨步骤中，粘结剂的重量为预混粉末与氧化锆球的总重量的千分之一。且第三转速为55rpm，第三时长为10h。
51.也就是说，在球磨过程中，先以较低转速进行初步球磨，然后再以较高转速进行“精细地”球磨，之后添加粘结剂，再按照较低转速进行球磨。添加分散剂之后，球磨罐先以初始设定转速(即，第一转速)球磨3h，而后保持恒定转速(即，第二转速)球磨16h以上。然后，在球磨罐内添加重量为预混粉末重量的千分之一的粘结剂，而后再以另一恒定转速(即，第三转速)球磨10h。
52.使用上述方法，可以得到的粒径均匀的合成粉末，并可将合成粉末的粒径控制在预设的合理范围内。
53.在过筛步骤中，过500目的筛。通过过筛步骤，可进一步地将过筛后合成粉末的粒径控制在预设的合理范围内，保证合成粉末的粒径均匀性。过筛后的合格料的粒径不超过500目。
54.压制步骤分两步进行。
55.首先进行震动加压。将过筛后的合成粉末进行震动加压时，先将过筛并称重的合成粉末倒入震动模具内，在震动加压过程中，加压1500t，形成模压的坯料。
56.然后再以冷等静压方式进行加压。在采用冷等静压方式进行加压的过程中，将上述步骤得到的合格坯料放入冷等静压机内，加压300mpa，保压60min。
57.使用上述压制方法，制得的坯料紧致细密，性能良好。
58.在烧结步骤中，将压制好的坯料放入气氛烧结炉内(或者真空烧结炉内)，然后设定气氛烧结炉的升温程序，并启动烧结。按照先后顺序，升温程序可包括六组控温温度和控温时长。
59.升温程序的第一组控温温度和控温时长分别为180℃，6h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例8：2)或者真空度为10-3
pa。即，在按照第一组控温温度和控温时长进行烧结的过程中(以及在烧结之前的升温过程中)，始终通入n2与ar(比例8：2)的混合气体，或者在真空烧结炉内始终保持真空度为10-3
pa。在执行第一组控温温度和控温时长之前，先调节至对应的烧结气氛，并由室温升温到180℃。
60.升温程序的第二组控温温度和控温时长分别为500℃，12h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例7：3)或者真空度为10-3
pa。即，在按照第二组控温温度和控温时长进行烧结的过程中(以及在烧结之前的升温过程中)，始终通入n2与ar(比例7：3)的混合气体，或者在真空烧结炉内始终保持真空度为10-3
pa。在执行第二组控温温度和控温时长之前，先调节至对应的烧结气氛，并由180℃升温到500℃。
61.升温程序的第三组控温温度和控温时长分别为700℃，20h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例7：3)或者真空度为10-3
pa。即，在按照第三组控温温度和控温时长进行烧结的过程中(以及在烧结之前的升温过程中)，始终通入n2与ar(比例7：3)的混合气体，或者在真空烧结炉内始终保持真空度为10-3
pa。在执行第三组控温温度和控温时长之前，先调节至对应的烧结气氛，并由500℃升温到700℃。
62.升温程序的第四组控温温度和控温时长分别为770℃，16h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例7：3)或者真空度为10-3
pa。即，在按照第四组控温温度和控温时长进行烧结的过程中(以及在烧结之前的升温过程中)，始终通入n2与ar(比例7：3)的混合气体，或者在真空烧
结炉内始终保持真空度为10-3
pa。在执行第四组控温温度和控温时长之前，先调节至对应的烧结气氛，并由700℃升温到770℃。
63.升温程序的第五组控温温度和控温时长分别为950℃，12h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例5：5)或者真空度为10-3
pa。即，在按照第五组控温温度和控温时长进行烧结的过程中(以及在烧结之前的升温过程中)，始终通入n2与ar(比例5：5)的混合气体，或者在真空烧结炉内始终保持真空度为10-3
pa。在执行第五组控温温度和控温时长之前，先调节至对应的烧结气氛，并由770℃升温到950℃。
64.升温程序的第六组控温温度和控温时长分别为450℃，3h，对应的烧结气氛为n2/ar(比例5：5)或者真空度为10-3
pa。即，在按照第六组控温温度和控温时长进行烧结的过程中，按照450℃保温3h，且始终通入n2与ar(比例5：5)的混合气体，或者在真空烧结炉内始终保持真空度为10-3
pa。在执行第六组控温温度和控温时长之前，先调节至对应的烧结气氛，并由950℃随炉缓慢冷却至450℃。
65.在冷却步骤，随炉自然冷却到室温，随后即可取出锰酸锂正极靶材，机加工至合适尺寸或形状，例如具有设定厚度和设定直径的圆饼形状。在了解本发明的基础上，本领域技术人员应当易于获知并调整锰酸锂正极靶材的尺寸和形状，此处不做赘述。
66.采用上述方法制备的锰酸锂正极靶材，可以为磁控溅射镀膜提供合适的靶材，并为采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池提供了有利条件。
67.基于本发明的锰酸锂正极靶材及其制备方法、以及磁控溅射镀膜技术，全固态薄膜锂电池可以非常容易地实现多个单节电池的直接串联，多个单节电池的直接并联，以及多个单节电池的串、并联组合，从而显著提高电池的输出电压，增大电池组的单体容量，或者实现增压和扩容的完美结合，具备良好的应用前景。
68.至于全固态薄膜锂电池的制备方法，将根据以下实施例1-3进行进一步阐述。
69.实施例1：
70.利用上述方法制备的锰酸锂正极靶材，采用磁控溅射镀膜技术，沉积单节石墨烯基薄膜锂电池：在1平方米的铜箔表面涂覆厚度为6μm的石墨烯集电极薄膜，在石墨烯集电极薄膜上依次沉积负极薄膜、固态电解质薄膜以及正极薄膜。其中，沉积的负极薄膜厚度为4.5μm，沉积的固态电解质薄膜厚度为1.5μm，沉积的正极薄膜厚度为15μm。所得电池经化成后得到的容量为9180(ma
·
h)。
71.实施例2：
72.利用上述方法制备的锰酸锂正极靶材，采用磁控溅射镀膜技术，沉积两节串联的石墨烯基薄膜锂电池：在1平方米的铜箔表面涂覆厚度为7μm的石墨烯集电极薄膜，并在石墨烯集电极薄膜上依次沉积负极薄膜、固态电解质薄膜、正极薄膜、石墨烯集电极薄膜、负极薄膜、固态电解质薄膜、正极薄膜以及石墨烯集电极薄膜。其中，沉积的每节电池的负极薄膜厚度为5.5μm，每节电池的固态电解质薄膜厚度为2.0μm，每节电池的正极薄膜厚度为18.5μm，石墨烯集电极薄膜为7μm。所得电池经化成后得到的容量为11322(ma
·
h)。
73.实施例3：
74.利用上述方法制备的锰酸锂正极靶材，采用磁控溅射镀膜技术，沉积两节并联的石墨烯基薄膜锂电池：在1平方米的铜箔表面涂覆厚度为7μm的石墨烯集电极薄膜，并在石墨烯集电极薄膜上依次沉积负极薄膜、固态电解质薄膜、正极薄膜、石墨烯集电极、正极薄
膜、固态电解质薄膜、负极薄膜以及石墨烯集电极薄膜。其中，沉积的每节电池的负极薄膜厚度为6.5μm，沉积的每节电池的固态电解质薄膜厚度为2.5μm，沉积的每节电池的正极薄膜厚度为22μm，石墨烯集电极薄膜为7μm。所得电池经化成后得到的容量为26928(ma
·
h)。
75.以上实施例1-3中，正极薄膜、固态电解质薄膜、负极薄膜均采用磁控溅射方法制备而成。例如，固态电解质薄膜可以为磷酸锂薄膜，负极薄膜可以为锡合金薄膜，正极薄膜为锰酸锂正极薄膜。石墨烯集电极薄膜采用涂覆或者生长的方法制得。
76.本发明的用于制备薄膜锂电池的锰酸锂正极靶材及其制备方法，能够专门适用于采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池的方案，解决了采用磁控溅射镀膜方式制备全固态薄膜锂电池过程中所存在的“无可用的合适靶材”问题。基于本发明所制备的锰酸锂正极靶材以及磁控溅射镀膜技术，制得的全固态薄膜锂电池的接触面电阻明显降低，显著提高了电池的性能。
77.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。