CN108807883A - 硅碳薄膜负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合薄膜材料制备技术领域，特别是涉及一种锂离子电池用的硅碳薄膜负极材料及其制备方法。本发明在室温条件下采用射频磁控溅射技术和直流磁控溅射技术，在集流体上制备了硅薄膜和碳薄膜交替堆叠的结构，交替堆叠结构的层数为2~4层，硅薄膜先沉积在集流体上，与集流体直接接触。本发明通过工艺简单的磁控溅射沉积技术在集流体上一步法直接溅射生长活性物质硅碳薄膜，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，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。

Description

硅碳薄膜负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合薄膜材料制备技术领域，特别是涉及一种硅碳薄膜负极材料及其制备方法。
背景技术
随着科技的不断发展，大幅度提高锂离子电池的能量密度是便携式电子产品和电动汽车等一系列新技术发展的迫切要求。目前商业化的石墨负极的理论嵌锂容量仅有372mAh/g，严重限制了锂离子电池能量密度的进一步提升，而硅具有较高的理论比容量（约4200 mAh/g），被认为是下一代锂离子电池的理想负极材料。
然而，硅负极在脱锂和嵌锂的过程中，会发生约300%的体积膨胀，导致硅材料物理结构的破碎，且与集流体之间的接触变差，从而使硅负极材料的循环稳定性变差，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。
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，提供一种室温下采用磁控溅射技术制备的硅碳薄膜负极材料及其制备方法。
本发明通过下列技术方案实现：硅碳薄膜负极材料及其制备方法，包括集流体、硅薄膜和碳薄膜。所述硅薄膜和碳薄膜为交替堆叠的结构，且硅薄膜先沉积在集流体上，硅薄膜与集流体直接接触。集流体在放入真空溅射腔体之前，先进行裁切和清洗。溅射腔体的本底真空度优于3.0×10-4 Pa，工作气体是纯度为99.999%的高纯氩气，氩气的流量为8~12sccm。所述硅薄膜采用射频磁控溅射的方法制备，溅射功率为50 W~150 W，溅射所用靶材是纯度为99.999%的N型硅靶，所述碳薄膜采用直流磁控溅射的方法制备，溅射功率为20 W~50W，溅射所用靶材是纯度为99.99%的无定形的石墨靶。硅薄膜和碳薄膜的溅射压强均为2 Pa~10 Pa，单层硅薄膜的厚度为30 nm~200 nm，单层碳薄膜的厚度为5 nm~50 nm。所有硅薄膜和碳薄膜均在室温下沉积。
所述集流体的清洗方法和步骤为：第一步：用分析纯的丙酮浸泡3~5 min；第二步：用去离子水清洗2~3次；第三步：在分析纯的无水乙醇中浸泡3~5 min；第四步：用去离子水清洗2~3次；第五步：放在鼓风干燥箱中40~80 oC下干燥0.5~1.5个小时，然后自然冷却至室温。
所述集流体为铜箔或铝箔的任一种，其厚度为8 μm~20 μm。
所述硅薄膜和碳薄膜交替堆叠结构的层数为2~4层。
本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：本发明所述的硅碳薄膜负极材料及其制备方法，采用上述方案，即在室温条件下，通过磁控溅射沉积技术在集流体上一步法直接溅射生长活性物质硅碳薄膜，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，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，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 是本发明实施例1所制备的负极材料的场发射扫描电镜截面图。
图 2 是本发明实施例1所制备的负极材料的循环性能图。
图 3 是本发明实施例1所制备的负极材料的循环伏安曲线图。
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
本实施例所述的硅碳薄膜负极材料及其制备方法，包括集流体、硅薄膜和碳薄膜。所述硅薄膜和碳薄膜为交替堆叠的结构，硅薄膜和碳薄膜交替堆叠结构的层数为3层，且硅薄膜先沉积在集流体上，硅薄膜与集流体直接接触。集流体在放入真空溅射腔体之前，先进行裁切和清洗。所述的集流体为铜箔，其厚度为9 μm。集流体的清洗方法和步骤为：第一步：用分析纯的丙酮浸泡5 min；第二步：用去离子水清洗3次；第三步：在分析纯的无水乙醇中浸泡5min；第四步：用去离子水清洗3次；第五步：放在鼓风干燥箱中60 oC下干燥1.0个小时，然后自然冷却至室温。
溅射腔体的本底真空度为2.5×10-4 Pa，工作气体是纯度为99.999%的高纯氩气，氩气的流量为10 sccm。所述硅薄膜采用射频磁控溅射的方法制备，溅射功率为100 W，溅射所用靶材是纯度为99.999%的N型硅靶，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，溅射所用靶材是纯度为99.99%的无定形的石墨靶。硅薄膜和碳薄膜的溅射压强均为2.5 Pa，单层硅薄膜的厚度为100 nm，单层碳薄膜的厚度为20 nm。所有硅薄膜和碳薄膜均在室温下沉积。
本实施例1所制备的负极材料的场发射扫描电镜截面图如图1所示，其结构自下而上依次为：集流体、硅薄膜、碳薄膜、硅薄膜。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2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1 C，充放电电流为0.31 mA，在循环充放电100次后，其容量保持率为100.28%。图3为本发明实施例1所制备的负极材料的循环伏安曲线图，扫描速率为0.1 mV/s，电势范围为0.01 V~1.5 V。
实施例2
本实施例所述的硅碳薄膜负极材料及其制备方法，包括集流体、硅薄膜和碳薄膜。所述硅薄膜和碳薄膜为交替堆叠的结构，硅薄膜和碳薄膜交替堆叠结构的层数为2层，且硅薄膜先沉积在集流体上，硅薄膜与集流体直接接触。集流体在放入真空溅射腔体之前，先进行裁切和清洗。所述的集流体为铝箔，其厚度为20 μm。集流体的清洗方法和步骤为：第一步：用分析纯的丙酮浸泡3 min；第二步：用去离子水清洗2次；第三步：在分析纯的无水乙醇中浸泡3 min；第四步：用去离子水清洗2次；第五步：放在鼓风干燥箱中40 oC下干燥1.2个小时，然后自然冷却至室温。
溅射腔体的本底真空度为2.0×10-4 Pa，工作气体是纯度为99.999%的高纯氩气，氩气的流量为8 sccm。所述硅薄膜采用射频磁控溅射的方法制备，溅射功率为50 W，溅射所用靶材是纯度为99.999%的N型硅靶，所述碳薄膜采用直流磁控溅射的方法制备，溅射功率为50 W，溅射所用靶材是纯度为99.99%的无定形的石墨靶。硅薄膜和碳薄膜的溅射压强均为10 Pa，单层硅薄膜的厚度为150 nm，单层碳薄膜的厚度为50 nm。所有硅薄膜和碳薄膜均在室温下沉积。

Claims (4)

1.硅碳薄膜负极材料及其制备方法，包括集流体、硅薄膜和碳薄膜，其特征在于：所述硅薄膜和碳薄膜为交替堆叠的结构，且硅薄膜先沉积在集流体上，硅薄膜与集流体直接接触；集流体在放入真空溅射腔体之前，先进行裁切和清洗；溅射腔体的本底真空度优于3.0×10-4 Pa，工作气体是纯度为99.999%的高纯氩气，氩气的流量为8~12 sccm；所述硅薄膜采用射频磁控溅射的方法制备，溅射功率为50 W~150 W，溅射所用靶材是纯度为99.999%的N型硅靶，所述碳薄膜采用直流磁控溅射的方法制备，溅射功率为20 W~50 W，溅射所用靶材是纯度为99.99%的无定形的石墨靶；硅薄膜和碳薄膜的溅射压强均为2 Pa~10 Pa，单层硅薄膜的厚度为30 nm~200 nm，单层碳薄膜的厚度为5 nm~50 nm；所有硅薄膜和碳薄膜均在室温下沉积。
2.根据权利要求1所述的硅碳薄膜负极材料及其制备方法，其特征在于：所述的集流体的清洗方法和步骤为：第一步：用分析纯的丙酮浸泡3~5 min；第二步：用去离子水清洗2~3次；第三步：在分析纯的无水乙醇中浸泡3~5 min；第四步：用去离子水清洗2~3次；第五步：放在鼓风干燥箱中40~80 oC下干燥0.5~1.5个小时，然后自然冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的硅碳薄膜负极材料及其制备方法，其特征在于：所述的集流体为铜箔或铝箔的任一种，其厚度为8 μm~20 μm。
4.根据权利要求1所述的硅碳薄膜负极材料及其制备方法，其特征在于：所述的硅薄膜和碳薄膜交替堆叠结构的层数为2~4层。
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