CN108336293A - 一种锂电池的负极结构以及制备该负极结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池的负极结构以及制备该负极结构的方法。本发明的锂电池的负极结构，其包括负极集流体和形成于负极集流体上的负极薄膜，所述负极薄膜的组分包括锂、硅、碳，其中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。本发明的锂电池的负极结构具有良好的结构稳定性、循环充放电性能，提升了负极的比容量密度，大幅提升了锂电池负极的应用性能。本发明的制备锂电池负极结构的方法通过采用共蒸发或者共溅射的方式制备出如上所述的锂电池的负极结构，当需要溅射获得不同成分的薄膜时，直接替换靶材即可，流程简单快捷，生产效率高，符合大规模生产的需求。

Description

一种锂电池的负极结构以及制备该负极结构的方法
【技术领域】
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池的负极结构以及制备该负极结构的方法。
【背景技术】
上世纪90年代，可安全利用的石墨负极的发明推动了锂电池在个人电子设备等领域的大规模应用。到本世纪，随着科技的进步，高端电子设备和电动汽车等的需求日趋增加，基于传统的石墨负极的锂电池逐渐难以满足需求，因而发展更高能量密度的储能系统已经迫在眉睫。在已知的电池材料中，锂金属负极以3860mAh*g-1的大容量和最负的电势(-3.040V vs.SHE)而受到了相关领域研究者的广泛关注。
但是金属锂负极会存在在充电过程中会出现枝晶生长、循环过程中金属锂负极分化的问题。
【发明内容】
针对上述问题，本发明提供一种锂电池的负极结构以及制备该负极结构的方法。
本发明解决技术问题的方案是提供一种锂电池的负极结构，所述锂电池的负极结构包括负极集流体和形成于负极集流体上的负极薄膜，所述负极薄膜的组分包括锂、硅、碳，其中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
优选地，所述负极薄膜的厚度为0.2～2μm。
优选地，所述负极薄膜中Li、Si、C三者的组分比例为(0.2～0.8)：(0.2～0.8)：(0～0.8)。
本发明还提供一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在磁控溅射腔内进行，所述磁控溅射腔具有多个靶材位，所述磁控溅射腔设定有多个通道，多个通道分别对多个靶材位上产生的原子进行引导并通过汇流口，多种原子在汇流口处进行混合，所述制备锂电池复合负极的方法包括以下步骤：
T1：在靶材位上分别安装多个硅靶材、碳靶材和锂靶材，并提供负极集流体基片；
T2：对磁控溅射腔进行抽真空；
T3：设定每个靶材的溅射速度并开始磁控溅射以对汇流口处的负极集流体基片溅射镀膜，得到的负极薄膜具有网状栅格结构，锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
优选地，所述制备锂电池负极结构的方法在步骤T1和步骤T2之间进一步执行以下步骤：
T11：预先向磁控溅射腔内通入保护气体。
优选地，所述负极集流体基片预先经过打磨处理。
优选地，所述制备锂电池复合负极的方法进一步包括以下步骤：
T4：对溅射镀膜后的负极集流体基片进行涂布处理；及
T5：对涂布后的负极集流体基片进行热压处理。
本发明还提供一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在磁控溅射腔内进行，所述磁控溅射腔具有多个靶材位，所述磁控溅射腔设定有多个通道，多个通道分别对多个靶材位上产生的原子进行引导并通过汇流口，多种原子在汇流口处进行混合，所述制备锂电池复合负极的方法包括以下步骤：
X1：在靶材位上分别安装多个硅靶材和锂靶材，并提供负极集流体基片；
X2：对磁控溅射腔进行抽真空；
X3：设定硅靶材和锂靶材的溅射速度并开始磁控溅射以对汇流口处的负极集流体基片溅射镀膜，得到的负极薄膜中锂原子嵌入在硅原子的骨架结构中；
X4：在负极集流体基片上溅射镀膜后的表面上贴合石墨烯膜或碳纳米管膜；及
X5：对贴合完石墨烯膜或者碳纳米管膜的负极集流体基片进行热压处理以得到负极薄膜，得到的负极薄膜中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
本发明还提供一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在蒸发腔内进行，所述蒸发腔内设置有阻热蒸发腔和电子束蒸发腔，其中阻热蒸发腔具有阻蒸位，电子束蒸发腔具有电子束蒸发位，阻蒸位和电子束蒸发位上产生的原子通过汇流口并在汇流口处进行混合，所述制备锂电池负极结构的方法包括以下步骤：
S1：在阻蒸位上安装锂蒸料，在电子束蒸发位上安装硅蒸料和碳蒸料，并提供负极集流体基片；
S2：对蒸发腔进行抽真空；
S3：设定硅靶和碳靶的蒸发速度并开始硅靶和碳靶的蒸发沉积，得到的负极薄膜具有网络栅状结构的碳硅复合材料；
S4：设定锂靶的蒸发速度并开始锂靶的蒸发沉积，得到的负极薄膜中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
优选地，所述阻热蒸发腔的工作温度为250～350℃，硅蒸料所在的电子束蒸发腔的工作温度为1000～1300℃，碳蒸料所在的电子束蒸发腔的工作温度1700～2000℃。
与现有技术相比，本发明的锂电池的负极结构，其包括负极集流体和形成于负极集流体上的负极薄膜，所述负极薄膜的组分包括锂、硅、碳，其中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。本发明的锂电池的负极结构具有良好的结构稳定性、循环充放电性能，提升了负极的比容量密度，大幅提升了锂电池负极的应用性能。
与现有技术相比，本发明的制备锂电池负极结构的方法通过采用共蒸发或者共溅射的方式制备出如上所述的锂电池的负极结构，当需要溅射获得不同成分的薄膜时，直接替换靶材即可，流程简单快捷，生产效率高，符合大规模生产的需求。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例的锂电池的负极结构的结构示意图。
图2是本发明第二实施例的共蒸发装置的结构示意图。
图3是本发明第三实施例的制备锂电池负极结构的方法的流程示意图。
图4是本发明第四实施例的多元磁控溅射装置的结构示意图。
图5是本发明第五实施例的制备电极的设备的结构示意图。
图6是本发明第六实施例的制备锂电池负极结构的方法的流程示意图。
图7是本发明第七实施例的制备锂电池负极结构的方法的流程示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，本发明的第一实施例提供锂电池的负极结构10，其包括负极集流体11和形成于负极集流体11上的负极薄膜13，所述负极薄膜13的组分包括锂、硅、碳，其中锂和硅嵌入在碳的网状结构中，优选的，负极薄膜13包括碳硅网络骨架层131和锂沉积层133，锂沉积层133嵌入到碳硅网络骨架层131中。所述负极薄膜13的成分包括LimSiCp，其中m＝3～5，p＝0.25～0.5，较佳的，所述负极薄膜13中Li、Si、C三者的组分比例为(0.2～0.8)：(0.2～0.8)：(0～0.8)。所述负极薄膜13在负极集流体11上分布均匀，所述负极薄膜13的厚度H1为0.2～2μm，优选为0.5～1μm。由于负极薄膜13中包含碳硅网络骨架层131，骨架结构具有多孔、结构稳定的特性，锂离子可以在充放电循环过程中很快地从碳硅骨架结构中嵌入和脱出，从而使锂电池可以进行快速的充放电，同时由于碳骨架的空间特性，锂嵌入和脱出的过程中骨架体积变化很小，确保了锂电池结构的稳定性。具体地，碳元素的存在提供了一个多孔骨架结构，可以缓解锂电池在充放电过程中的负极结构10的体积收缩膨胀问题，硅元素的存在可以提高负极结构10的容量，碳硅的相互协同，大幅提升了锂电池负极的应用性能。
请参考图2，本发明的第二实施例提供一种共蒸发装置30，所述共蒸发装置30包括多个蒸发位31、挡板36、蒸发腔35和旋转基片台37，所述多个蒸发位31、挡板36和旋转基片台37均收纳在蒸发腔35内，所述多个蒸发位31用于安装多种蒸料，所述旋转基片台37用于承载负极集流体基片20并带动负极集流体基片20旋转，所述挡板36设置在多个蒸发位31和旋转基片台37之间，所述挡板36上开设有至少一通孔361，所述挡板36可进行移动，当移动挡板36以使通孔361位于负极集流体基片20上方时，所述多个蒸发位31上的多个蒸料蒸发产生的多个原子汇合在通孔361处形成一混合沉积源，混合沉积源对负极集流体基片20进行沉积镀膜。由于在沉积镀膜的过程中，负极集流体基片20是匀速旋转的，从而确保了镀膜的均匀性。所述挡板36的材质为金属材质。所述通孔361的孔径或边长为1μm～0.1mm，通孔361的孔径与所需镀膜厚度和负极集流体基片20的尺寸有关，可以根据不同的需要进行设定。所述蒸料包括锂蒸料、硅蒸料和碳蒸料。
可以理解，所述旋转基片台37的尺寸可以根据实际需要进行设定，例如进行样品制备时，旋转基片台37上只放置有一块或几块负极集流体基片20，则旋转基片台37的尺寸可以较小；而当进行大批量生产时，旋转基片台37上通常会设置有数以十计、百计或者更多的负极集流体基片20，旋转基片台37的尺寸就需要适当地增大。
另外，所述多个蒸发位31可以是阻蒸位311和电子束蒸发位312中的一种或两种，本实施例中以所述多个蒸发位31包括一个阻蒸位311和两个电子束蒸发位312来做示范性说明，在此不做限定。其中，所述阻蒸位311用于蒸发锂蒸料，所述电子束蒸发位312用于蒸发硅蒸料和碳蒸料。所述阻蒸位311包括第一加热装置3111和第一蒸发舟3113，所述第一蒸发舟3113设置在第一加热装置3111上方，即第一加热装置3111设置在第一蒸发舟3113远离基片台37的一侧，所述第一蒸发舟3113用于承载蒸料，所述第一加热装置3111通电后可对第一蒸发舟3113进行加热使锂蒸料蒸发出锂原子。第一蒸发舟3113的材质为金属材质，优选为钽。第一加热装置3111为电阻加热装置，由于电阻加热装置的加热温度有限，阻蒸位311通常用于蒸发熔点较低的蒸料，例如金属锂或者锂的氧化物、氧化锰等。
所述电子束蒸发位312包括第二加热装置3121和第二蒸发舟3123，所述第二蒸发舟3123设置在第二加热装置3121上方，即第二加热装置3121设置在第二蒸发舟3123远离基片台37的一侧，所述第二蒸发舟3123用于承载蒸料，所述第二加热装置3121通电后可对第二蒸发舟3123进行加热使蒸料蒸发出原子。所述第二加热装置3121为电子枪，电子枪在通电后发出电子，电子在磁场的控制和加速下到达上方的第二蒸发舟3123内轰击并加热熔化硅蒸料或碳蒸料，从而使碳原子或硅原子蒸发，电子枪的能量较高，电子束蒸发位312通常用于蒸发熔点较高的蒸料，例如Ni、NiO、Cr、Cr2O3等一些熔点较高的金属或金属氧化物。当所述碳蒸料为石墨柱时，由于碳可以直接升华，故而碳蒸料的电子束蒸发位312可以不设置第二蒸发舟3123。
另外，所述共蒸发装置30还包括一个阻热蒸发腔34和两个电子束蒸发腔33，阻热蒸发腔34的一端与阻蒸发位311连接，两个电子束蒸发腔33的一端分别与电子束蒸发位312连接，阻热蒸发腔34和两个电子束蒸发腔33的另一端在挡板36上方汇合以形成一混合沉积源。阻热蒸发腔34和电子束蒸发腔33的设定使得原子在蒸发后在规定的腔体内流动，防止原子四处扩散，影响沉积镀膜的速率。阻热蒸发腔34和电子束蒸发腔33的工作温度可以根据蒸料的熔点进行调整，方便操作。在工作状态下，阻热蒸发腔34的工作温度为250～350℃，优选为307℃；硅靶材所在的电子束蒸发腔33的温度为1000～1300℃，优选为1147℃；碳靶材所在的电子束蒸发腔的温度1700～2000℃，优选为1867℃。
另外，所述共蒸发装置30是设置在一手套箱(图未示)中的，所述手套箱中填充有保护性气体，所述保护性气体优选为惰性气体。所述手套箱内设置有机械手(图未示)，其用于转移负极集流体基片20。
请参考图3，本发明第三实施例提供一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在蒸发腔内进行，所述蒸发腔内设置有阻热蒸发腔和电子束蒸发腔，其中阻热蒸发腔具有阻蒸位，电子束蒸发腔具有电子束蒸发位，阻蒸位和电子束蒸发位上产生的原子通过汇流口并在汇流口处进行混合，该制备锂电池负极结构的方法包括以下步骤：
S1：在阻蒸位上安装锂蒸料，在电子束蒸发位上安装硅蒸料和碳蒸料，并提供负极集流体基片；
S2：对蒸发腔进行抽真空；
S3：设定硅蒸料和碳蒸料的蒸发速度并开始硅蒸料和碳蒸料的蒸发沉积，得到的负极薄膜具有网络栅状结构的碳硅复合材料；及
S4：设定锂蒸料的蒸发速度并开始锂蒸料的蒸发沉积，得到的薄膜中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
可以理解，本实施例优选采用第二实施例所述的共蒸发装置30来制备锂电池负极结构。
可以理解，在制备开始前，调节蒸发腔的温度为80～120℃，以避免锂蒸料的熔化损失，并且调节蒸发腔的环境参数，确保蒸发腔内的水含量小于0.01ppm，氧含量小于0.01ppm。
在步骤S1中，在阻蒸位上安装锂蒸料，在电子束蒸发位上安装硅蒸料和碳蒸料，锂蒸料蒸发产生的锂原子在阻热蒸发腔内流动，硅蒸料和碳蒸料蒸发产生的硅原子和碳原子在电子束蒸发腔内流动。所述阻蒸位用于蒸发易蒸发的蒸料，所述电子束蒸发位用于蒸发难蒸发的蒸料，例如金属锂或者锂的氧化物的熔点较低，其须放置于阻蒸位进行蒸发，而比如熔点较高的金属需要置于电子束蒸发位来进行蒸发。采用纯度为99.9％的金属锂片作为锂蒸料，锂片的厚度大于3mm，阻蒸位的蒸发舟的材质为高熔点金属材质且不会和锂原子发生反应，优选金属钽作为蒸发舟的材料；采用纯度为99.999％的硅片作为硅蒸料，采用石墨坩埚来作为硅靶材所在电子束蒸发位的蒸发舟；采用石墨柱作为碳靶材时，由于碳可以直接升华，故而碳蒸料的电子束蒸发位可以不设置蒸发舟。多种蒸料共同进行蒸发镀膜，大大提高了生产效率。另外，所述负极集流体基片是安装在旋转基片台37上的，所述负极集流体基片在沉积镀膜的过程中是匀速旋转的，从而确保了在负极集流体基片沉积镀膜的均匀性，所述负极薄膜的不均匀性小于3％。另外，所述负极集流体基片是经过打磨处理的，增加了负极集流体基片的表面粗糙度，从而增加了负极薄膜材料与负极集流体基片之间的粘结力，保证制备得到负极结构具有良好的电化学性能。
在所述步骤S2中，为了防止在制备锂电池负极结构的过程中蒸发腔内会产生杂质原子，故而需要对蒸发腔进行抽真空处理。抽完真空后蒸发腔内的真空度为10-7～10- 5Torr，优选为10-6Torr。本实施例中通过一抽真空装置对蒸发腔进行抽真空，所述抽真空装置优选为真空泵。
另外，所述制备锂电池负极结构的方法在步骤S2之前进一步执行以下步骤：
S11：向蒸发腔内通入保护气体。通过在蒸发腔内设置净化柱，净化柱在蒸发腔抽真空之前循环向蒸发腔内通入高纯氩气(纯度为99.999％)，以尽可能地将蒸发腔内的水蒸气和空气排出，重复操作三次以上后，将蒸发腔的气压调节至10-6Torr以上。
可以理解，在所述步骤S3中，可以根据预定的薄膜的原子组分比例计算得到每个蒸料的组分比例，继而计算得到每个蒸料的蒸发速度，从而根据计算结果对每个蒸料的蒸发速度进行调整，操作十分方便，生产效率高。另外，设定硅蒸料和碳蒸料的蒸发速度通过设定电子束蒸发位的工作功率来实现，电子束蒸发位的工作功率为120～200W。蒸发产生的硅原子和碳原子在挡板上方汇合，并通过挡板上的通孔以形成一混合沉积源，从而在负极集流体基片上形成一层负极薄膜，所述负极薄膜具有网络栅状结构的碳硅复合材料，硅嵌入在碳的网状结构中。作为一种变形，步骤S3可以设定硅蒸料和碳蒸料的蒸发时间来控制沉积镀膜的厚度，蒸发时间为10～60min。此时，得到负极薄膜的厚度为0.5～0.8μm。另外，在步骤S3中可以设定电子束蒸发腔的温度，具体地，硅靶材所在的电子束蒸发腔的温度为1000～1300℃，优选为1147℃；碳靶材所在的电子束蒸发腔的温度1700～2000℃，优选为1867℃。
在所述步骤S4中，设定锂蒸料的蒸发速度通过设定阻蒸位的工作功率来实现，阻蒸位的工作功率为50～100W。作为一种变形，步骤S4可以设定锂蒸料的蒸发时间来控制沉积镀膜的厚度，蒸发时间为10～60min。得到的负极薄膜的厚度为1μm左右，所述负极薄膜中Li、Si、C三者的组分比例为(0.2～0.8)：(0.2～0.8)：(0～0.8)，锂也嵌入在碳的网状结构中。另外，在步骤S4中可以设定阻热蒸发腔的温度，具体地，设定阻热蒸发腔的温度为250～350℃，优选为307℃。
另外，所述制备锂电池负极结构的方法进一步包括以下步骤：
S5：向蒸发腔中充入惰性气体恢复至常压状态；
S6:由机械手取出蒸发镀膜后的负极集流体基片。
可以理解，由于制备锂电池负极结构的过程中蒸发腔内是处于真空状态的，故而在取出蒸发镀膜后的基片之前需要将蒸发腔内的压强恢复至常规压强或者常规压强值附近。作为一种变形，所述步骤S5可以省略，让蒸发腔与外界连通即可。
在所述步骤S6中，通常情况下，蒸发腔是设置在一密闭环境中的，例如设置在手套箱中，利用机械手取出蒸发镀膜完成后的基片以进行接下来的处理流程，整个过程都是自动化控制的，提高了生产效率。
请参考图4，本发明的第四实施例提供一种多元磁控溅射装置40，所述多元磁控溅射装置40包括多个靶材位41、多个引导管43、磁控溅射腔45以及旋转基片台47，所述多个靶材位41、多个引导管43及旋转基片台17均收纳在磁控溅射腔15内。所述多个靶材位41用于安装多种靶材，所述多个引导管43的一端分别与多个靶材位41一一对应连接，另一端汇合在一处并通过至少一汇流口，从而位于各个靶材位41的靶材溅射产生的多种原子在汇流口处形成混合溅射源，所述旋转基片台47用于承载负极集流体基片20且带动负极集流体基片20旋转。可以理解，所述旋转基片台47的尺寸可以根据实际需要进行设定，例如进行样品制备时，旋转基片台47上只放置有一块或几块负极集流体基片20，则负极集流体基片台17的尺寸可以较小；而当进行大批量生产时，旋转基片台47上通常会设置有数以十计、百计或者更多的负极集流体基片20，旋转基片台47的尺寸就需要适当地增大。
另外，所述多元磁控溅射装置40还包括一挡板46，所述挡板46设置在引导管43和旋转基片台47之间，所述挡板46上开设有至少一通孔461，通孔461即为汇流口，多个引导管43的一端在通孔461的上方处汇合。所述挡板46可进行移动，当移动挡板46以使通孔461位于负极集流体基片20上方时，所述多个靶材位41上的多个靶材溅射产生的多个原子汇合在通孔461处形成一混合溅射源，混合沉积源对负极集流体基片20进行沉积镀膜。所述挡板46的直径或边长为40mm～100mm，可以理解，所有挡板46的尺寸可以根据旋转基片台47的尺寸进行设定。所述挡板46的材质为金属材质。所述通孔461的孔径或边长为1μm～0.1mm，通孔461的孔径与所需镀膜厚度和负极集流体基片20的尺寸有关，可以根据不同的需要进行设定。
请参考图5，本发明第五实施例还提供一种制备电极的设备100，所述制备电极的设备100包括如第四实施例所述的多元磁控溅射装置40和手套箱30，所述多元磁控溅射装置40设置在手套箱30中，所述手套箱30中填充有保护性气体，所述保护性气体优选为惰性气体。所述手套箱30内设置有机械手(图未示)，其用于转移负极集流体基片20。
另外，所述制备电极的设备100还包括涂布装置50和热压装置70，所述涂布装置50和热压装置70均设置在手套箱30内，所述涂布装置50与多元磁控溅射装置40的磁控溅射腔45相连，其用于对溅射沉积后的负极集流体基片20进行涂布处理，所述热压装置70与涂布装置50相连，其用于对完成涂布后的负极集流体基片20进行热压处理。
另外，所述制备电极的设备100还包括贴合装置60，所述抽真空装置60设置在手套箱30内，且所述贴合装置60与多元磁控溅射装置40的磁控溅射腔45相连，其用于对溅射沉积后的负极集流体基片20进行贴合处理。同时，所述贴合装置60与热压装置70相连，完成贴合后的负极集流体基片在热压装置70中进行热压处理。
请参考图6，本发明第六实施例还提供一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在磁控溅射腔内进行，所述磁控溅射腔具有多个靶材位，所述磁控溅射腔设定有多个通道，多个通道分别对多个靶材位上产生的原子进行引导并通过汇流口，多种原子在汇流口处进行混合，所述制备锂电池复合负极的方法包括以下步骤：
T1：在三个靶材位上分别安装硅靶材、碳靶材和锂靶材，并提供负极集流体基片；
T2：对磁控溅射腔进行抽真空；
T3：设定每个靶材的溅射速度并开始磁控溅射以对汇流口处的负极集流体基片溅射镀膜，溅射得到的薄膜具有网状栅格结构，锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
可以理解，本实施例的制备锂电池负极结构的方法优选采用第五实施例的制备电极的设备来进行溅射镀膜。
可以理解，在制备开始前，调节磁控溅射腔的环境参数，确保蒸发腔内的水含量小于0.01ppm，氧含量小于0.01ppm。
可以理解，在所述步骤T1中，在三个靶材位上分别安装硅靶材、碳靶材和锂靶材，硅靶材、碳靶材和锂靶材在磁控溅射过程中会分别产生硅原子、碳原子和锂原子，硅原子、碳原子和锂原子分别在磁控溅射腔内的多条通道中流动至一汇流口，硅原子、碳原子和锂原子在汇流口处混合形成一多原子的混合溅射源。其中，所述硅靶材的纯度为99.999％，锂靶材的纯度为99.9％。多种靶材同时进行溅射，大大提高了生产效率。另外，所述负极集流体基片是经过打磨处理的，增加了负极集流体基片的表面粗糙度，从而增加了负极薄膜材料与负极集流体基片之间的粘结力，保证制备得到负极结构具有良好的电化学性能。另外，所述负极集流体基片是安装在旋转基片台47上的，所述负极集流体基片在沉积镀膜的过程中是匀速旋转的，从而确保了在负极集流体基片沉积镀膜的均匀性，所述负极薄膜的不均匀性小于3％。
可以理解，在所述步骤T2中，为了防止在磁控溅射过程中磁控溅射腔内会产生杂质原子，故而需要对磁控溅射腔进行抽真空处理。抽完真空后磁控溅射腔内的真空度为10-7～10-5Torr，优选为10-6Torr。本实施例中通过一抽真空装置对磁控溅射腔进行抽真空，所述抽真空装置优选为真空泵。
另外，所述制备锂电池负极结构的方法在步骤T2之前进一步执行以下步骤：
T11：向磁控溅射腔内通入保护气体。通过在磁控溅射腔内设置净化柱，净化柱在磁控溅射腔抽真空之前循环向磁控溅射腔内通入高纯氩气(纯度为99.999％)，以尽可能地将磁控溅射腔内的水蒸气和空气排出，重复操作三次以上后，将磁控溅射腔的气压调节至10-6Torr以上。
可以理解，在所述步骤T3中，可以根据预定的薄膜组分比例计算得到每个靶材的组分比例，继而计算得到每个靶材的溅射速度，从而根据计算结果对每个靶材的溅射速度进行调整，操作十分方便，生产效率高。另外，设定每个靶材的溅射速度时通过设定每个靶材位的溅射功率来实现的，每个靶材位的溅射功率为50～200W。作为一种变形，步骤T3可以设定靶材的溅射时间来控制溅射镀膜的厚度，溅射时间为10～60min。此时，溅射得到的负极薄膜的厚度为0.8～1μm。
另外，所述多元磁控溅射的方法还包括以下步骤：
T4：向磁控溅射腔中充入惰性气体恢复至常压状态；
T5:由机械手取出溅射镀膜后的负极集流体基片。
可以理解，由于在进行磁控溅射的过程中磁控溅射腔内是处于真空状态的，故而在取出溅射镀膜后的基片之前需要将磁控溅射腔内的压强恢复至常规压强或者常规压强值附近。作为一种变形，所述步骤T4可以省略，让磁控溅射腔与外界连通即可。
在所述步骤T5中，通常情况下，磁控溅射腔是设置在一密闭环境中的，例如设置在手套箱中，利用机械手取出溅射镀膜完成后的基片以进行接下来的处理流程，整个过程都是自动化控制的，提高了生产效率。
另外，所述多元磁控溅射的方法还包括以下步骤：
T6：对溅射镀膜后的负极集流体基片进行涂布处理；
T7：对涂布后的负极集流体基片进行热压处理。
可以理解，所述步骤T6中，计算机控制机械手取出溅射镀膜后的基片，继而对溅射镀膜后的基片进行涂布处理，在溅射镀膜后的基片上再涂覆一层碳纳米管薄层。
在步骤T7中，对涂布处理后形成的碳纳米管薄层进行热压处理，将碳纳米管压入到硅的骨架结构中，由于碳纳米管具有较低的膨胀系数，锂在硅的骨架结构中脱嵌和嵌入的循环中可以保持材料整体稳定不变形，进一步确保负极材料的循环性能更好。热压的温度为50℃～500℃，优选为80℃～170℃，此温度范围内热压效果最佳。制备得到的负极薄膜中Li、Si、C三者的组分比例为(0.2～0.8)：(0.2～0.8)：(0～0.8)。
请参考图7，本发明第七实施例还提供一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的方法与本发明第六实施例的制备锂电池负极结构的方法大致相同，仅存在以下区别。
本实施例的制备锂电池负极结构的方法在首先仅在两个靶材位上分别安装硅靶材和锂靶材，设定两个靶材位的工作功率为120～200W，并在磁控溅射过程中仅在负极集流体基片上形成一层锂硅复合材料层。本实施例的制备锂电池负极结构的方法在由机械手取出溅射镀膜后的负极集流体基片进一步执行以下步骤：
X6：在溅射镀膜后的负极集流体基片上贴合石墨烯膜或碳纳米管膜；
X7：对贴合了石墨烯膜或者碳纳米管膜的负极集流体基片进行热压处理以得到负极薄膜，所述负极薄膜中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
在步骤X6中，将碳纳米管或石墨烯分散在溶剂中，通过抽滤成膜的方式得到具有自力支撑的碳纳米管膜或者石墨烯膜，然后将碳纳米管膜或石墨烯膜与负极集流体基片上溅射有锂硅复合材料的表面直接贴合。
在步骤X7中，由机械手将贴合完碳纳米管膜或者石墨烯膜的负极集流体基片转移至热压设备，设定热压温度为20～500℃，优选为80～170℃，实现碳材料与锂硅复合材料的热压合，从而在锂硅薄膜材料中引入碳基网络骨架机构，锂和硅嵌入在碳的网状结构中，制备得到的负极薄膜中Li、Si、C三者的组分比例为(0.2～0.8)：(0.2～0.8)：(0～0.8)。
硅与锂反应可以形成Li12Si7、Li13Si4、Li7Si3、Li22Si4等骨架结构，锂离子会嵌入在硅的骨架结构中，使锂离子均匀地分布在负极材料中，可以有效的阻止充放电过程中枝晶的形成。但硅在锂离子的嵌入和脱嵌过程会产生较大的体积膨胀，随着循环次数的增加会导致硅的骨架结构崩塌，其宏观表现为负极的粉化，从而严重影响电极的循环性能。而通过预锂化将锂离子预先嵌入硅的骨架结构中是解决这一问题的有效方案，通过磁控溅射的方法将锂与硅共溅射在基片上，形成的材料结构留有锂离子的位置，在锂离子脱嵌再嵌入后，不会引起硅骨架结构的变形和崩塌，从而有效的解决了负极材料粉化的问题。而碳原子的引入会加强这种骨架结构的稳定性，从而使负极材料的循环性能更好。
与现有技术相比，本发明的锂电池的负极结构，其包括负极集流体和形成于负极集流体上的负极薄膜，所述负极薄膜的组分包括锂、硅、碳，其中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。本发明的锂电池的负极结构具有良好的结构稳定性、循环充放电性能，提升了负极的比容量密度，大幅提升了锂电池负极的应用性能。
与现有技术相比，本发明的制备锂电池负极结构的方法通过采用共蒸发或者共溅射的方式制备出如上所述的锂电池的负极结构，当需要溅射获得不同成分的薄膜时，直接替换靶材即可，流程简单快捷，生产效率高，符合大规模生产的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂电池的负极结构，其特征在于：所述锂电池的负极结构包括负极集流体和形成于负极集流体上的负极薄膜，所述负极薄膜的组分包括锂、硅、碳，其中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
2.如权利要求1所述的锂电池的负极结构，其特征在于：所述负极薄膜的厚度为0.2～2μm。
3.如权利要求1所述的锂电池的负极结构，其特征在于：所述负极薄膜中Li、Si、C三者的组分比例为(0.2～0.8)：(0.2～0.8)：(0～0.8)。
4.一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在磁控溅射腔内进行，所述磁控溅射腔具有多个靶材位，所述磁控溅射腔设定有多个通道，多个通道分别对多个靶材位上产生的原子进行引导并通过汇流口，多种原子在汇流口处进行混合，其特征在于：所述制备锂电池复合负极的方法包括以下步骤：
T1：在靶材位上分别安装多个硅靶材、碳靶材和锂靶材，并提供负极集流体基片；
T2：对磁控溅射腔进行抽真空；
T3：设定每个靶材的溅射速度并开始磁控溅射以对汇流口处的负极集流体基片溅射镀膜，得到的负极薄膜具有网状栅格结构，锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
5.如权利要求4所述的制备锂电池负极结构的方法，其特征在于：所述制备锂电池负极结构的方法在步骤T1和步骤T2之间进一步执行以下步骤：
T11：向磁控溅射腔内通入保护气体。
6.如权利要求4所述的制备锂电池负极结构的方法，其特征在于：所述负极集流体基片预先经过打磨处理。
7.如权利要求4所述的制备锂电池负极结构的方法，其特征在于：所述制备锂电池复合负极的方法进一步包括以下步骤：
T4：对溅射镀膜后的负极集流体基片进行涂布处理；及
T5：对涂布后的负极集流体基片进行热压处理。
8.一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在磁控溅射腔内进行，所述磁控溅射腔具有多个靶材位，所述磁控溅射腔设定有多个通道，多个通道分别对多个靶材位上产生的原子进行引导并通过汇流口，多种原子在汇流口处进行混合，其特征在于：所述制备锂电池复合负极的方法包括以下步骤：
X1：在靶材位上分别安装多个硅靶材和锂靶材，并提供负极集流体基片；
X2：对磁控溅射腔进行抽真空；
X3：设定硅靶材和锂靶材的溅射速度并开始磁控溅射以对汇流口处的负极集流体基片溅射镀膜，得到的负极薄膜中锂原子嵌入在硅原子的骨架结构中；
X4：在负极集流体基片上溅射镀膜后的表面上贴合石墨烯膜或碳纳米管膜；及
X5：对贴合完石墨烯膜或者碳纳米管膜的负极集流体基片进行热压处理以得到负极薄膜，得到的负极薄膜中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
9.一种制备锂电池负极结构的方法，该制备锂电池负极结构的过程在蒸发腔内进行，所述蒸发腔内设置有阻热蒸发腔和电子束蒸发腔，其中阻热蒸发腔具有阻蒸位，电子束蒸发腔具有电子束蒸发位，阻蒸位和电子束蒸发位上产生的原子通过汇流口并在汇流口处进行混合，其特征在于：制备锂电池负极结构的方法包括以下步骤：
S1：在阻蒸位上安装锂蒸料，在电子束蒸发位上安装硅蒸料和碳蒸料，并提供负极集流体基片；
S2：对蒸发腔进行抽真空；
S3：设定硅靶和碳靶的蒸发速度并开始硅靶和碳靶的蒸发沉积，得到的负极薄膜具有网络栅状结构的碳硅复合材料；
S4：设定锂靶的蒸发速度并开始锂靶的蒸发沉积，得到的负极薄膜中锂和硅嵌入在碳的网状结构中。
10.如权利要求9所述的制备锂电池负极结构的方法，其特征在于：所述阻热蒸发腔的工作温度为250～350℃，硅蒸料所在的电子束蒸发腔的工作温度为1000～1300℃，碳蒸料所在的电子束蒸发腔的工作温度1700～2000℃。
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