CN108807840A - 热处理工艺制备碳硅负极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料制备技术领域,特别是涉及一种热处理工艺制备碳硅负极材料的方法。本发明中碳薄膜和硅薄膜在制备的过程中均采用热处理工艺,热处理的温度为100 oC~400 oC。在集流体上制备了硅薄膜和碳薄膜交替堆叠的结构,且碳薄膜先沉积在集流体上,碳薄膜与集流体直接接触,交替堆叠结构的最顶层为碳薄膜。本发明通过工艺简单的磁控溅射沉积技术在集流体上直接溅射生长活性物质碳硅薄膜,省去了传统电极制备过程中粘结剂的使用,以及辊压、涂覆、烘干等步骤,减少了制作工序和成本,此外,热处理工艺一定程度上可以提高电极的储锂容量,为高能量密度、高循环稳定性锂离子电池负极材料的研发提供了有效途径。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域,特别是涉及一种热处理工艺制备碳硅负极材料的方法。
背景技术
高能量密度、持久的循环稳定性的锂离子电池负极材料一直是科学界研究的热点之一。目前商业化的石墨负极的容量较低,严重限制了新能源汽车、机器人等新兴科技的发展,而硅的理论比容量比石墨高出十倍,成为下一代锂离子电池研究的焦点。
硅负极材料目前存在的最大问题是硅负极在脱锂和嵌锂的过程中,会发生约三倍的体积膨胀,导致硅材料物理结构的破碎。一方面,硅结构的破碎会导致其表面的固体电解质(SEI)膜的破裂,SEI膜在下次循环的过程中会发生重建,在破裂-重建的过程中,会不断消耗电解液,最终导致电池电化学性能的失效;另一方面,硅结构的破碎会导致硅与集流体之间的接触变差,进而使硅负极材料的循环性能逐渐变差。这制约了硅基负极材料在锂离子电池中的实际应用。目前科学界普遍采用的方法,一是将硅材料纳米化,二是制备出新型结构的复合材料,这些方法都有利于提高硅基负极材料的循环性能,但一些复合材料的比容量仍然较低,有待进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为解决背景技术中提到的现有技术问题,提供一种实现较好循环稳定性、较高比容量的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法。
本发明通过下列技术方案实现:热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,包括集流体、碳薄膜、硅薄膜和加热装置。所述碳薄膜和硅薄膜在制备的过程中均采用热处理工艺,热处理的温度为100 oC~400 oC,加热装置在负极材料生长的过程中提供加热源。所述碳薄膜和硅薄膜为交替堆叠的结构,且碳薄膜先沉积在集流体上,碳薄膜与集流体直接接触,交替堆叠结构的最顶层为碳薄膜。集流体在放入真空溅射腔体之前,先进行裁切和清洗,且溅射完成并取样后,再进行一次裁切。溅射腔体的本底真空度优于3.0×10-4 Pa,工作气体的流量为9~20 sccm。所述碳薄膜采用直流磁控溅射的方法制备,溅射功率为30 W~100 W,溅射压强为0.1 Pa~10 Pa,溅射速率为0.1 nm/s~2.1 nm/s,单层碳薄膜的厚度为1 nm~30nm。所述硅薄膜采用射频磁控溅射的方法制备,溅射功率为80 W~200 W,溅射压强均为1 Pa~20 Pa,溅射速率为1.0 nm/s~6.0 nm/s,单层硅薄膜的厚度为5 nm~50 nm。
所述热处理工艺为生长时原位加热、室温生长后在磁控溅射腔体中加热或室温生长后在快速退火炉中退火的任一种。
所述集流体为铜箔或铝箔的任一种,其厚度为9 μm~25 μm。
所述碳薄膜和硅薄膜交替堆叠结构的层数为5层、7层、9层、11层、13层或15层的任一种。
本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:本发明所述的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,采用上述方案,即在不同热处理工艺条件下,通过磁控溅射沉积技术在集流体上直接溅射生长活性物质碳硅薄膜,具有如下优点:(1)本发明提供的方法省去了传统电极制备过程中粘结剂的使用,以及辊压、涂覆、烘干等步骤,减少了制作工序和成本;(2)碳薄膜与集流体直接接触,增大了活性物质与集流体之间的导电性。碳薄膜作为填充物质和导电剂,有效地解决了纯硅薄膜电极循环性能差的不足,提高了电极的循环稳定性;(3)对材料的热处理一定程度上释放了薄膜内部的应力,使薄膜表面产生凸起,增大了薄膜的表面积,一定程度上可以提高电极的储锂容量,为高能量密度、高循环稳定性锂离子电池负极材料的研发提供了有效途径。
附图说明
图1是本发明所制备的负极材料及其加热装置的结构示意图。
图2是本发明实施例1所制备的负极材料的场发射扫描电镜截面图。
图3是本发明实施例1所制备的负极材料的循环性能图。
图4是本发明实施例1所制备的负极材料的充放电特性曲线图。
图中标号为:1. 集流体,2. 碳薄膜,3. 硅薄膜,4. 加热装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容,但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例所述的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,包括集流体1、碳薄膜2、硅薄膜3和加热装置4。所述碳薄膜2和硅薄膜3在制备的过程中均采用热处理工艺,所述的热处理工艺为生长时原位加热,热处理的温度为100 oC,即碳薄膜2和硅薄膜3的生长温度均为100oC,加热装置4在负极材料生长的过程中提供加热源。所述碳薄膜2和硅薄膜3为交替堆叠的结构,且碳薄膜2先沉积在集流体1上,碳薄膜2与集流体1直接接触,交替堆叠结构的最顶层为碳薄膜2。集流体1在放入真空溅射腔体之前,先进行裁切和清洗,且溅射完成并取样后,再进行一次裁切,所述集流体1为铜箔,其厚度为9 μm。溅射腔体的本底真空度优于3.0×10-4 Pa,工作气体的流量为10 sccm。所述碳薄膜2采用直流磁控溅射的方法制备,溅射功率为30 W,溅射压强为2.5 Pa,溅射速率为0.217 nm/s,单层碳薄膜2的厚度为10 nm。所述硅薄膜3采用射频磁控溅射的方法制备,溅射功率为100 W,溅射压强均为2.5 Pa,溅射速率为4.440 nm/s,单层硅薄膜3的厚度为50 nm。所述的碳薄膜2和硅薄膜3交替堆叠结构的层数为5层,即C/Si/C/Si/C结构。
图1是本发明所制备的负极材料及其加热装置的结构示意图,包括集流体1、碳薄膜2、硅薄膜3和加热装置4,碳薄膜2和硅薄膜3交替堆叠为5层,最下面一层的碳薄膜2与集流体1直接接触,最顶层为碳薄膜2,加热装置4在负极材料生长的过程中提供加热源。对于本实施例1,碳薄膜2和硅薄膜3在溅射生长的过程中,加热装置4一直处于恒温100 oC的加热状态。本实施例1的硅碳薄膜负极材料的场发射扫描电镜截面图如图2所示。组装纽扣电池所用的电池壳为CR2032,隔膜为Celgard2325型单层聚丙烯隔膜,电解液为1 mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)与碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)按体积比1:1配好的混合溶液,对电极为锂片。图3为本发明实施例1所制备的负极材料的循环性能图,测试条件为0.2 C,充放电电流为0.033mA,首次可逆容量为2341.18 mAh/g,在循环充放电100次后,其容量保持率为83.98%。图4为本发明实施例1所制备的负极材料的充放电特性曲线图。
实施例2
本实施例所述的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,包括集流体1、碳薄膜2、硅薄膜3和加热装置4。所述碳薄膜2和硅薄膜3在制备的过程中均采用热处理工艺,加热装置4在负极材料生长的过程中提供加热源,所述的热处理工艺为室温生长后在快速退火炉中退火,热处理的温度为400 oC,。所述碳薄膜2和硅薄膜3为交替堆叠的结构,且碳薄膜2先沉积在集流体1上,碳薄膜2与集流体1直接接触,交替堆叠结构的最顶层为碳薄膜2。集流体1在放入真空溅射腔体之前,先进行裁切和清洗,且溅射完成并取样后,再进行一次裁切,所述集流体1为铝箔,其厚度为25 μm。溅射腔体的本底真空度优于3.0×10-4 Pa,工作气体的流量为15 sccm。所述碳薄膜2采用直流磁控溅射的方法制备,溅射功率为50 W,溅射压强为10Pa,溅射速率为1.20 nm/s,单层碳薄膜2的厚度为30 nm。所述硅薄膜3采用射频磁控溅射的方法制备,溅射功率为200 W,溅射压强均为15 Pa,溅射速率为6.50 nm/s,单层硅薄膜3的厚度为40 nm。所述的碳薄膜2和硅薄膜3交替堆叠结构的层数为7层。
Claims (4)
1.热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,包括集流体(1)、碳薄膜(2)、硅薄膜(3)和加热装置(4),其特征在于:所述碳薄膜(2)和硅薄膜(3)在制备的过程中均采用热处理工艺,热处理的温度为100 oC~400 oC,加热装置(4)在负极材料生长的过程中提供加热源;所述碳薄膜(2)和硅薄膜(3)为交替堆叠的结构,且碳薄膜(2)先沉积在集流体(1)上,碳薄膜(2)与集流体(1)直接接触,交替堆叠结构的最顶层为碳薄膜(2);集流体(1)在放入真空溅射腔体之前,先进行裁切和清洗,且溅射完成并取样后,再进行一次裁切;溅射腔体的本底真空度优于3.0×10-4 Pa,工作气体的流量为9~20 sccm;所述碳薄膜(2)采用直流磁控溅射的方法制备,溅射功率为30 W~100 W,溅射压强为0.1 Pa~10 Pa,溅射速率为0.1 nm/s~2.1 nm/s,单层碳薄膜(2)的厚度为1 nm~30 nm;所述硅薄膜(3)采用射频磁控溅射的方法制备,溅射功率为80 W~200 W,溅射压强均为1 Pa~20 Pa,溅射速率为1.0 nm/s~6.0 nm/s,单层硅薄膜(3)的厚度为5 nm~50 nm。
2.根据权利要求1所述的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,其特征在于:所述的热处理工艺为生长时原位加热、室温生长后在磁控溅射腔体中加热或室温生长后在快速退火炉中退火的任一种。
3. 根据权利要求1所述的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,其特征在于:所述的集流体(1)为铜箔或铝箔的任一种,其厚度为9 μm~25 μm。
4.根据权利要求1所述的热处理工艺制备碳硅负极材料的方法,其特征在于:所述的碳薄膜(2)和硅薄膜(3)交替堆叠结构的层数为5层、7层、9层、11层、13层或15层的任一种。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |