專利名稱：非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型電池材料及其制備方法和應(yīng)用。
鋰離子電池是指以Li+插入化合物為正負(fù)極的二次電池，不同于鋰電池采用金屬鋰作負(fù)極，其具有優(yōu)異的充放電可逆性能和安全性，在電池市場上具有潛在的競爭力，被認(rèn)為是最終取代鋰電池的新一代二次電池。鋰離子電池工作電壓高、能量密度大、安全性能好、自放電小、可快速充放電、可做成大容量電池組，而且是無記憶效應(yīng)電池。
隨著現(xiàn)代電器微型化，高能化的需要，重量輕、體積小、高比能、高電壓、低污染的鋰離子電池將成為辦公、通訊、電腦、攝像機(jī)及電動汽車等的良好電源。
電池材料是制約電池工業(yè)發(fā)展的最主要因素。層狀和尖晶石型鋰過渡金屬氧化物被認(rèn)為是高能量密度鋰離子電池優(yōu)先選擇的正極材料，被廣泛研究。而負(fù)極材料的研究起步較晚。尋找性能良好的正極材料和負(fù)極材料，并降低電極材料的生產(chǎn)成本，是鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。
氮化鋰及氮化鋰基非化學(xué)計(jì)量化合物，如鋰的鹵氮化物等，由于具有高的鋰離子電導(dǎo)率，作為鋰電池固體電解質(zhì)材料已被世人所矚目。近年來，氮化鋰基過渡金屬氮化物作為二次鋰離子電池陽極活性材料，成為新的研究熱點(diǎn)。這類化合物除具有氮化鋰及氮化鋰基非化學(xué)計(jì)量化合物同樣優(yōu)異的鋰離子傳導(dǎo)性外，還有良好的電子傳導(dǎo)特征，用做鋰離子二次電池活性陽極材料，具有單電池工作電壓高，比容量高及能量密度高等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的目的是為了提供一種具有良好的電極活性和化學(xué)穩(wěn)定性及循環(huán)可逆性、單電池工作電壓高、比容量高、能量密度高的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物。
本發(fā)明的另一目的是為了提供一種制備工藝簡單、流程短的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的制備方法。
本發(fā)明的另一目的還在于提供一種將非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物用作電池陽極材料。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物具有以下化學(xué)式組成Li3-xMgxN，其中x為0.1≤x≤0.9中的實(shí)數(shù)。
本發(fā)明的另一目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的制備方法是將氮化鋰和鎂金屬在氮?dú)獯嬖谙?，?00-700℃條件下焙燒6-7小時，得非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物；其中氮化鋰和金屬鎂的摩爾比為1∶x，x為0.1≤x≤0.9。
一種非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的制備方法是將金屬鋰和金屬鎂在氮?dú)獯嬖谙?，壓力?-3×104Pa、溫度為330-500℃下氮化處理得非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物；其中金屬鋰和金屬鎂的摩爾比為(3-x)∶x，x為0.1≤x≤0.9。
本發(fā)明的另一目的還可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的應(yīng)用可將非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物做電池的陽極材料。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物由于鋰和鎂離子具有相近的離子半徑，具有很好的可替換性，因而顯示出良好的化學(xué)穩(wěn)定性及循環(huán)可逆性，使其制成電極材料時，具有良好的充放電特性，且其單電池電壓高、高比容量和高能量密度。
2、本發(fā)明的資源豐富、價格便宜。
3、本發(fā)明工藝簡單、流程短。
本發(fā)明還將結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的性能。
以Li3-xMgxN為活性陽極材料，加入適當(dāng)比例的導(dǎo)電劑(炭粉，石墨粉等)，以PVC(1wt％)的THF(四氫呋喃)溶液為粘合劑，以鎳片為載體，做成工作電極，鋰金屬做對電極，含有LiClO4(或LiPF6)的有機(jī)電解質(zhì)溶液為電解質(zhì)，組成實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行庫侖滴定法測定Li3-xMgxN的比容量在1600mAh/g以上。而目前鋰離子電池活性陽極材料LiC6的理論比容量為370mAh/g。
以Li3-xMgxN為活性陽極材料，加入適當(dāng)比例的導(dǎo)電劑(炭粉、石墨粉等)和粘合劑(如PVC的四氫呋喃溶液)，以鎳片為載體，做成工作電極，以鋰金屬為輔助電極和參比電極，電解液同上，組成三電極系統(tǒng)，測定循環(huán)伏安曲線，掃描速度200mV/s，掃描范圍0-3V，循環(huán)120次以上仍很穩(wěn)定，顯示出較好的充放可逆性和穩(wěn)定性。
以上述Li3-xMgxN為活性陽極材料，加入適當(dāng)比例的導(dǎo)電劑和粘合劑，以鎳片為載體，制成負(fù)電極，采用富鋰的過渡金屬氧化物(形式如LixMO2，M為過渡金屬Co、Ni、V、Mn等)或富鋰過渡金屬硫化物(如LiTiS2、LiMoS2等)作正極材料，使用含有LiClO4(或LiPF6)的有機(jī)電解質(zhì)溶液為電解質(zhì)，組裝成實(shí)驗(yàn)電池，在電流密度為0.3-0.6mA/cm2條件下，進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，單電池工作電壓平臺在2.5-4.5V，比容量在200-400mAh/g或更高。而LiC6/LiCoO2電池的比容量為140mAh/g。
本發(fā)明還將結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1將Li3N和金屬鎂粉按摩爾比為1∶0.3充分混勻后，裝入鉬制容器，并置于高溫反應(yīng)爐，高純氮?dú)?純度為99％以上)經(jīng)脫氧去濕后，通入反應(yīng)爐中，逐漸升溫至600℃恒溫6小時，取出得到灰褐色Li2.7Mg0.3N樣品。將其研細(xì)，加入25％的炭粉混合均勻。用PVC(1wt％)的THF溶液為粘合劑，以鎳片為載體，做成工作電極，鋰金屬做對電極，含有LiClO4(或LiPF6)的有機(jī)電解質(zhì)溶液為電解質(zhì)，組成實(shí)驗(yàn)電池，工作電極電流密度為10μA/cm2，室溫條件下進(jìn)行庫侖滴定，測得Li2.7Mg0.3N的比容量為1695mAh/g。
實(shí)施例2將金屬鋰和金屬鎂在氮?dú)獯嬖谙?，壓力?×104Pa、溫度為400℃下氮化處理得Li2.4Mg0.6N；其中金屬鋰和金屬鎂的摩爾比為4∶1。
取一定量的Li2.4Mg0.6N樣品，將其研細(xì)，加入25％的炭粉混合均勻。用PVC(1wt％)的THF溶液為粘合劑，以鎳片為載體，制成極片，以富鋰釩氧化物(LiV6O13、LiV3O8、LiV2O5)采用同樣的方法制成極片做陰極，采用1mol/L的LiClO4的PC溶液做電解質(zhì)組裝成實(shí)驗(yàn)電池，陽極電流密度為0.3-0.6mA/cm2進(jìn)行充放電循環(huán)，單電池工作電壓平臺穩(wěn)定在3.0-4.3V，放電比容量穩(wěn)定在200mAh/g以上。
權(quán)利要求
1.一種非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物，其特征在于具有以下化學(xué)式組成Li3-xMgxN，其中x為0.1≤x≤0.9的實(shí)數(shù)。
2.一種權(quán)利要求1所述的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的制備方法，其特征在于將氮化鋰和鎂金屬在氮?dú)獯嬖谙?，?00-700℃條件下焙燒6-7小時，得非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物；其中氮化鋰和金屬鎂的摩爾比為1∶x，x為0.1≤x≤0.9。
3.一種權(quán)利要求1所述的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的制備方法，其特征在于將金屬鋰和金屬鎂在氮?dú)獯嬖谙拢瑝毫?-3×104Pa、溫度為330-500℃下氮化處理得非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物；其中金屬鋰和金屬鎂的摩爾比為(3-x)∶x，x為0.1≤x≤0.9。
4.一種權(quán)利要求1所述的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的應(yīng)用，其特征在于可將非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物做鋰離子電池的陽極材料。
5.如權(quán)利要求4所述的非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物的應(yīng)用，其特征在于該鋰鎂氮化物特別適合于與富鋰釩氧化物的陰極配對制成鋰離子電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非化學(xué)計(jì)量鋰鎂氮化物,該化合物具有如下化學(xué)式:Li
文檔編號H01M4/58GK1371861SQ01115280
公開日2002年10月2日 申請日期2001年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月26日
發(fā)明者楊金賢, 賈永忠, 閻俊美, 王政存, 景燕, 周圓 申請人:中國科學(xué)院青海鹽湖研究所