CN114678507A - 一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片及其制备方法，涉及新能源电池材料制备技术领域，包括以下步骤：将集流体装配到夹具上后置入管式炉中抽真空，通入惰性气体至常压后升温到反应温度，通入含硅反应气体生长二维层状硅薄膜，然后升温至反应温度，通入含碳反应气体生长二维层状碳层，最后往复循环生长多层硅/碳薄膜层得到多层硅/碳薄膜负极极片。本发明通过在集流体上原位生长硅层与碳层，免去了传统锂离子电池负极极片需要的匀浆、涂布和烘干等步骤，提高了生产效率；多层的硅/碳薄膜层能够有效缓解体积效应，提高循环寿命，同时多层结构能够提高面负载量；硅层通过掺杂提高了导电性，提升大倍率充放电性能。

Description

一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片及其制备方法
技术领域
本发明属于新能源电池材料制备技术领域，具体涉及一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片及其制备方法。
背景技术
目前，商业锂离子电池负极材料主要以石墨材料为主，其量产的质量比容量已经可以达到360mAh/g以上，接近理论质量比容量372mAh/g。而市场对高能量密度的需求愈发旺盛，这就亟需一种新型的高能量密度负极材料来代替石墨材料。
硅材料具有4200mAh/g的理论质量比容量，而且其嵌锂电位在0.5V左右，更不易发生析锂的现象。但硅在脱/嵌锂的过程中会发生高达～300％的体积变化，破坏电极材料的稳定结构，并且暴露出的硅界面又会持续与电解液反应生产过厚的固体电解质界面层，这就造成电池性能的急速恶化。
为了解决硅材料的体积效应导致的电化学性能差的问题，研究者采用了碳包覆、纳米化、合金化等多种途径来改善硅基负极材料的电化学性能，目前最成功的方案是纳米硅颗粒碳包覆制备硅碳负极材料。然而纳米硅材料极易团聚，很难通过机械的方式来分散开，同时石墨体系的粘结剂不适配匹配高体积变化的硅碳复合材料，需要更换粘结剂体系，这就制约了硅基材料的商业化推广。
发明内容
鉴于现有技术方案的不足，本发明提供一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片及其制备方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明提供一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，包括以下步骤：
S1、装炉：将集流体装配到夹具上后置入管式炉中；
S2、通气：抽真空后通入惰性气体；
S3、硅层：以5-10℃/min的升温到500-950℃，通入含硅反应气体，在集流体表面自发沉积50-500nm的二维层状硅薄膜；
S4、碳层：以5-10℃/min的升温到800-1000℃，通入含碳反应气体，在硅薄膜表面沉积2-50nm的二维层状碳层；
S5、多层：重复S3和S4，制备1-20层的硅/碳薄膜层得到多层的硅/碳薄膜负极极片。
进一步地，S1中所述的集流体为铜箔、多孔碳膜、石墨膜中的一种。
进一步地，S3中所述的含硅反应气体为硅烷、氯硅烷中的一种。
进一步地，S3中所述气体中加入磷烷、硼烷中的一种，对硅进行掺杂，提高导电性。
进一步地，S4中所述含碳反应气体为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或几种。
本发明还提供了一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片，采用如上述方法制备得到。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明所提供的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片是直接作为极片使用，免去了传统粉体制备极片的匀浆、涂布、烘干环节，极大地提升了生产效率；
(2)本发明所制备的多层硅/碳薄膜层能够有效缓解体积效应，提高循环寿命；
(3)本发明可通过调控硅/碳层厚度及层数调控面负载量，以匹配不同正极；
(4)本发明所制备的硅层通过掺杂提高导电性，提升大倍率充放电性能。
(5)本发明使用管式炉所提供的常压化学气相沉积方法制备多层硅/碳薄膜负极极片，比磁控溅射、等离子增强化学气相沉积的设备成本更低，工序更简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图示说明：100为集流体，101为硅层，102为碳层，103为重复的硅层和碳层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明；
实施例1
如图1所示的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片，其制备方法包括以下步骤：将厚度在10um的铜箔放入管式炉中，抽真空30min后，通入流量为1L/min的氩气至常压；以5℃/min的升温速度升至550℃，氩气流量改为3L/min，通入流量为0.5L/min的硅烷，反应20min后停止通入硅烷，氩气流量改为1L/min；以5℃/min的升温速度升至900℃，氩气流量改为3L/min，通入流量为0.5L/min的乙炔，反应5min后停止通入乙炔，氩气流量改为1L/min；通过外部风冷降温至550℃并保温，氩气流量改为3L/min，通入流量为0.5L/min的硅烷，反应20min后停止通入硅烷，氩气流量改为1L/min；以5℃/min的升温速度升至900℃，氩气流量改为3L/min，通入流量为0.5L/min的乙炔，反应5min后停止通入乙炔，氩气流量改为1L/min；如此往复，在10um铜箔表面生长10层硅层在150nm，碳层在10nm的硅/碳薄膜负极；持续通1L/min的氩气降温至室温后，得到总厚度在11.6um的多层硅/碳薄膜负极极片。
实施例2
如图1所示的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片，其制备方法包括以下步骤：将厚度在8um的铜箔放入管式炉中，抽真空30min后，通入流量为1L/min的氩气至常压；以8℃/min的升温速度升至850℃，氩气流量改为5L/min，通入流量为1.5L/min的硅烷和流量为0.1L/min的磷烷，反应8min后停止通入硅烷；30min后，通入流量为1L/min的乙炔，反应5min后停止通入乙炔；如此往复切换气体，在8um铜箔表面生长20层硅层在180nm，碳层在12nm的硅/碳薄膜负极；持续通1L/min的氩气降温至室温后，得到总厚度在11.84um的多层硅/碳薄膜负极极片。
实施例3
如图1所示的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片，其制备方法包括以下步骤：将厚度为20um的多孔碳膜放入管式炉中，抽真空60min后，通入流量为1L/min的氩气至常压；以6℃/min的升温速度升至600℃，氩气流量改为6L/min，通入流量为1L/min的硅烷和流量为0.1L/min的磷烷，反应15min后停止通入硅烷，氩气流量改为1L/min；以5℃/min的升温速度升至900℃，氩气流量改为6L/min，通入流量为1L/min的甲烷，反应3min后停止通入甲烷，氩气流量改为1L/min；通过外部风冷降温至600℃并保温，氩气流量改为6L/min，通入流量为1L/min的硅烷和流量为0.1L/min的磷烷，反应15min后停止通入硅烷，氩气流量改为1L/min；以5℃/min的升温速度升至900℃，氩气流量改为6L/min，通入流量为1L/min的甲烷，反应3min后停止通入甲烷，氩气流量改为1L/min；如此往复，在厚20um的多孔碳膜表面生长出11层硅层在200nm，碳层在12nm的硅/碳薄膜负极；持续通1L/min的氩气降温至室温后，得到总厚度在22.332um的多层硅/碳薄膜负极极片。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将集流体装配到夹具上后置入管式炉中；
S2、抽真空后通入惰性气体至常压；
S3、升温至反应温度后，通入含硅反应气体，生长二维层状硅薄膜；
S4、升温至反应温度后，通入含碳反应气体，生长二维层状碳层；
S5、重复S3和S4制备多层硅/碳薄膜层。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S1中的集流体为铜箔、多孔碳膜或石墨膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S3中含硅反应气体为硅烷、氯硅烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S3中的含硅反应气体可加入磷烷、硼烷中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S3中的反应温度为500-950℃。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S3中的硅薄膜厚度为50-500nm。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S4中的含碳反应气体为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S4中的反应温度为800-1000℃；S4中的二维层状碳层为2-50nm。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片的制备方法，其特征在于，S5中的多层为1-20层。
10.一种锂离子电池多层硅/碳薄膜负极极片，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
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