全一種鈷酸鋰靶材的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鈷酸鋰靶材及其制備方法，該靶材的純度大于等于99.9%、相對(duì)密度大于等于98%、平均晶粒尺寸小于等于50微米。該靶材制備方法包括以下步驟：（1）提供鈷酸鋰粉末，并將其液壓成型為坯件；（2）對(duì)所述的坯件進(jìn)行冷等靜壓加工；（3）將經(jīng)過(guò)步驟（2）的坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程采用了多階段升溫加壓的方式。按照本發(fā)明方法制備的鈷酸鋰靶材，其晶粒尺寸細(xì)小且致密度高。在適當(dāng)條件下，濺射這些靶材能獲得性能優(yōu)良的薄膜，從而提高全固態(tài)薄膜鋰離子電池的儲(chǔ)能量和循環(huán)次數(shù)。
【專利說(shuō)明】
全一種鈷酸鋰靶材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及全一種鈷酸鋰靶材的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器、MEMS、CM0S芯片等電子器件微型化的快速發(fā)展，要求有體積小、重量輕、比容量高的微型致密電源與其匹配。全固態(tài)薄膜鋰離子電池由于具有高功率密度、低自放電率、優(yōu)良的充放電循環(huán)性能、形狀和尺寸可以任意設(shè)計(jì)，以及無(wú)溶液泄漏、不爆炸、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛關(guān)注，部分國(guó)家已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。這類電池可用作各種便攜式微電子器件的獨(dú)立或備用電源，以及MEMS的電源，無(wú)論在民用還是在軍事上都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。全固態(tài)薄膜鋰離子電池在不同領(lǐng)域中都有其用武之地，如在航天領(lǐng)域中，該微電池小型化、輕量化對(duì)航天飛行器具有相當(dāng)重要的吸引力；在軍事上，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)、美國(guó)航空航天局(NASA)的射流噴氣實(shí)驗(yàn)室(JPL)以及美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室都在積極開(kāi)發(fā)將薄膜鋰離子電池用于武器智能化監(jiān)控和管理系統(tǒng)的微電池芯片技術(shù);它的用途還包括:微型無(wú)人駕駛偵察飛機(jī)動(dòng)力電源(包括攝像裝置電源)、多種微型傳感器、CMOS集成線路、智能卡(SmartCard )、生物芯片和人體內(nèi)的微型手術(shù)器和微型醫(yī)療器件等。
[0003]全固態(tài)薄膜鋰離子電池的核心部件正極材料一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，與之對(duì)應(yīng)的薄膜性能直接決定了電池的容量和使用壽命。因此，質(zhì)量?jī)?yōu)良的靶材也將變得更為重要。一般而言鈷酸鋰靶材的生產(chǎn)方法有普通燒結(jié)法、熱等靜壓法、熱壓法和壓力燒結(jié)四種。這四種方法的比較如下:
1、普通燒結(jié)法:一般采用冷壓加燒結(jié)的方法制備。冷壓過(guò)程中，為了增強(qiáng)素坯的成型性，會(huì)在其中加入0.5%?2%的粘結(jié)劑，壓制壓力不能太大，因?yàn)樾枰舫鲎銐虻耐ǖ雷屨辰Y(jié)劑排出，但粘結(jié)劑依然會(huì)有殘留，增加了靶材的雜質(zhì)含量。由于素坯的相對(duì)密度為60%?70%，在靶材燒結(jié)完成后，靶材的相對(duì)密度只能達(dá)到70%?90%。
[0004]熱等靜壓法:該方法能夠在壓力10MPa以上，燒結(jié)溫度為600°C?1500°C燒結(jié)靶材，得到相對(duì)密度為98%?100%的靶材。但該方法工藝過(guò)程較復(fù)雜，主要包括:粉末前處理、制作包套、裝爐燒結(jié)、去除包套、后續(xù)加工等，而且各個(gè)步驟的完成要求較高，如果靶材較小，后續(xù)加工的加工量較大，則原材料利用率較低。
[0005]熱壓法:該方法可使用難熔金屬模具、陶瓷模具或石墨模具，在真空或其他氣氛保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，一般燒結(jié)壓力為20?80MPa，可以得到相對(duì)密度為98%?100%的靶材。該方法生產(chǎn)成本較低，工藝過(guò)程較為簡(jiǎn)單，主要包括:裝料、燒結(jié)、脫模、后續(xù)加工等，而且各個(gè)步驟控制較為簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定，能夠獲得接近產(chǎn)品要求尺寸的半成品。
[0006]壓力燒結(jié)法:該方法一般用于生產(chǎn)陶瓷靶材，在氣氛保護(hù)的條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)方式為階段性升壓升溫。該生產(chǎn)方法成本較低，工藝過(guò)程可控，主要步驟包括:液壓壓制、冷等靜壓壓制、階段性燒結(jié)、降溫控制、后續(xù)加工等，各步驟的操作簡(jiǎn)單，核心技術(shù)為燒結(jié)工
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[0007]然而，按照現(xiàn)有技術(shù)的常壓氣氛燒結(jié)法制備出的鈷酸鋰靶材其晶粒尺寸比較大，致密度也不高。在適當(dāng)條件下，使用了濺射這些靶材所得到的薄膜的全固態(tài)薄膜鋰離子電池的儲(chǔ)能量和循環(huán)次數(shù)也比較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鈷酸鋰靶材及其制備方法。
[0009]為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種鈷酸鋰靶材，其純度大于等于99.9%、相對(duì)密度大于等于98%、平均晶粒尺寸小于等于50微米。
[0010]優(yōu)選地，所述鈷酸鋰靶材的純度為大于等于99.99%。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述鈷酸鋰靶材的純度為大于等于99.999%。
[0012]優(yōu)選地，所述鈷酸鋰靶材的相對(duì)密度大于等于99%。
[0013 ]優(yōu)選地，所述鈷酸鋰靶材的平均晶粒小于等于1微米。
[0014]一種鈷酸鋰靶材的制備方法，該方法包括以下步驟:
(1)提供鈷酸鋰粉末，并將其液壓成型為坯件；
(2)對(duì)所述的坯件進(jìn)行冷等靜壓加工；
(3)將經(jīng)過(guò)步驟(2)的坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為10—4?10—3Pa,首先以50?300°C/h的升溫速率將溫度升至800°0900°C，保溫4?24小時(shí)后，充入惰性氣體，然后以100?400°C/h的升溫速率將溫度升至900°01200°C，保溫4?24小時(shí)后降至常溫即得所述鈷酸鋰靶材，降溫速率為20?100 °C /h。
[0015]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述鈷酸鋰粉末的純度為99.90%?99.99%、平均粒徑為50?10nm0
[0016]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述液壓成型的工作壓力為5?50MPa。
[0017]優(yōu)選地，步驟(2)中，進(jìn)行冷等靜壓加工的工作壓力為200~300MPa。
[0018]優(yōu)選地，步驟(3)中所述惰性氣體為氬氣。
[0019]由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果:按照本發(fā)明的制備方法制備出的鈷酸鋰靶材，其晶粒尺寸細(xì)小且致密度高。在適當(dāng)條件下，濺射這些靶材能獲得性能優(yōu)良的薄膜，從而提高全固態(tài)薄膜鋰離子電池的儲(chǔ)能量和循環(huán)次數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為按照本發(fā)明的方法制備出的鈷酸鋰靶材的掃描電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明不限于以下實(shí)施例。
[0022]根據(jù)本實(shí)施例，通過(guò)如下步驟制備鈷酸鋰靶材:
(1)、以平均粒徑為lOOnm，純度為99.95%的鈷酸鋰粉末為原料，通過(guò)研磨、篩分的方法去除粉末中的結(jié)塊后；采用液壓機(jī)將鈷酸鋰粉末液壓成型為坯件，成型使用的壓力為20MPa；
(2)、對(duì)坯件進(jìn)行冷等靜壓加工，壓制壓力為250MPa，冷等靜壓加工可提高坯件的致密性，經(jīng)壓制后的素坯相對(duì)密度為58%左右；
(3)、為保證高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，材料的流動(dòng)與粘接有序階段性進(jìn)行，燒結(jié)過(guò)程采用多階段升溫加壓的方式完成燒結(jié)。將壓制后的坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為6.0X10—4Pa,以100°C/h速率將溫度升至800°C，保溫8小時(shí)后充入Iatm Ar氣體，然后再以100 °C /h的速率升溫至I100C,保溫12小時(shí)，最后以50 °C /h的速率將溫度降至常溫。
[0023]將制備好的靶材取出，通過(guò)磨加工方法可制成所要求的尺寸。
[0024]對(duì)上述制備的鈷酸鋰靶材進(jìn)行掃描電鏡分析，圖1是所得掃描電鏡圖，從中可看出，鈷酸鋰靶材的晶粒尺寸比較細(xì)小且致密度高，相對(duì)密度約為99%。
[0025]上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鈷酸鋰靶材，其特征在于:所述鈷酸鋰靶材的純度大于等于99.9%、相對(duì)密度大于等于98%、平均晶粒尺寸小于等于50微米。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷酸鋰靶材，其特征在于:所述鈷酸鋰靶材的純度為大于等于.99.99%ο3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈷酸鋰靶材，其特征在于:所述鈷酸鋰靶材的純度為大于等于.99.999%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷酸鋰靶材，其特征在于:所述鈷酸鋰靶材的相對(duì)密度大于等于 99%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷酸鋰靶材，其特征在于:所述鈷酸鋰靶材的平均晶粒小于等于10微米。6.一種鈷酸鋰靶材的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)提供鈷酸鋰粉末，并將其液壓成型為坯件； (2)對(duì)所述的坯件進(jìn)行冷等靜壓加工； (3)將經(jīng)過(guò)步驟(2)的坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為10—4?10—3Pa,首先以50?300°C/h的升溫速率將溫度升至800°0900°C，保溫4?24小時(shí)后，充入惰性氣體，然后以100?400°C/h的升溫速率將溫度升至900°01200°C，保溫4?24小時(shí)后降至常溫即得所述鈷酸鋰靶材，降溫速率為20?100 °C /h。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鈷酸鋰靶材的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，所述鈷酸鋰粉末的純度為99.90%?99.99%、平均粒徑為50?lOOnm。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鈷酸鋰靶材的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，所述液壓成型的工作壓力為5?50MPa。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鈷酸鋰靶材的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，進(jìn)行冷等靜壓加工的工作壓力為200?300MPa。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鈷酸鋰靶材的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述惰性氣體為氬氣。
【文檔編號(hào)】C23C14/34GK106048542SQ201610004611
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年1月7日 公開(kāi)號(hào)201610004611.2, CN 106048542 A, CN 106048542A, CN 201610004611, CN-A-106048542, CN106048542 A, CN106048542A, CN201610004611, CN201610004611.2
【發(fā)明人】謝海保, 勞景興
【申請(qǐng)人】惠州市佰特瑞科技有限公司