一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构及其制备方法与流程

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构及其制备方法。

背景技术：

目前，锂离子电池已得到广泛应用，主要原因是其具有能量密度高、功率密度高、循环性能好、环境友好以及结构多样化等优异特性。在锂离子动力电池的发展需求方面，要求负极材料具有高容量、长寿命、高首效以及快速率充放电等特点。现有的石墨负极材料的理论容量为372mah/g，其中商业化石墨负极产品已达355mah/g左右，基本已无提升空间。硅作为锂离子电池负极材料的理论容量可达4200mah/g左右，且硅在地壳中的含量丰富，仅次于氧，因此成为研究热点。但是，硅材料巨大的储锂膨胀效应和导电性差的问题限制了其充放电性能的发挥，导致仍无法大规模应用。近期研究发现，在集流体表面直接制备硅薄膜作为负极可有效缓解其膨胀效应，同时无需使用导电剂和粘结剂，从而节省了这部分成本。但是，由于硅薄膜的导电性仍较差，其高倍率下的充放电性能仍不尽人意。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构及其制备方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明还提供了一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)，在铜箔表面制备一层硅薄膜；

步骤(2)，在硅薄膜表面制备一层均匀分布的金属颗粒；

步骤(3)，依次重复步骤(1)和步骤(2)n次；

步骤(4)，将上述制备的材料置于保护气氛中进行界面合金化热处理。

进一步地，步骤(1)中制备硅薄膜的方法为化学气相沉积法或物理气相沉积法；

进一步地，单层硅薄膜的厚度为10-5000nm；

进一步地，步骤(2)中制备金属颗粒的方法为物理气相沉积法或金属辅助化学腐蚀法；

进一步地，金属颗粒为银或铜或金或铂颗粒；

进一步地，金属颗粒的粒径为5-500nm且小于单层硅薄膜的厚度；

进一步地，步骤(3)中重复次数n为1-100。

本发明提供了一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构，采用如本文所述方法制备得到。

与现有技术相比，本发明有益效果包括：

(1)本发明中硅薄膜负极结构可通过金属颗粒和合金界面的双重作用二次提升硅薄膜负极的导电性，从而提升其高倍率性能；并可通过铜箔和硅薄膜之间以及金属颗粒和硅薄膜之间的合金界面来提升它们之间的结合力，从而避免硅薄膜从铜箔上脱落以及避免金属颗粒与硅薄膜发生分离；同时，多层复合结构可使金属颗粒能均匀分布于硅薄膜的内部和表面，一定程度上保证其结构一致性。

(2)本发明中所述的硅薄膜负极结构可望同时具备优异的倍率特性、循环稳定性以及高的比容量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图示说明：1-铜箔，2-硅薄膜，3-颗粒层。

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

采用下述步骤进行制备如图1所示的锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构：

(1)首先采用等离子体增强化学气相沉积法在铜箔1表面制备一层300nm厚的硅薄膜2；

(2)然后采用真空蒸镀法在硅薄膜2表面制备一层粒径为100nm的银颗粒层3；

(3)接着依次重复步骤(1)和步骤(2)8次；

(4)最后将上述制备的材料置于800℃氩气气氛中进行快速热处理。

所制备的硅薄膜负极的首次放电容量为3300mah/g，0.1c循环300次容量保持率为90％，2c循环300次容量保持率为85％。

实施例2

采用下述步骤进行制备如图1所示的锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构：

(1)首先采用磁控溅射法在铜箔1表面制备一层500nm厚的硅薄膜2；

(2)然后采用铜辅助化学腐蚀法在硅薄膜2表面制备一层粒径为200nm的铜颗粒层3；

(3)接着依次重复步骤(1)和步骤(2)50次；

(4)最后将上述制备的材料置于800℃氩气气氛中进行快速热处理。

所制备的硅薄膜负极的首次放电容量为3200mah/g，0.1c循环300次容量保持率为89％，2c循环300次容量保持率为84％。

实施例3

采用下述步骤进行制备如图1所示的锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构：

(1)首先采用真空蒸镀法在铜箔1表面制备一层5000nm厚的硅薄膜2；

(2)然后采用磁控溅射法在硅薄膜2表面制备一层粒径为500nm的金颗粒层3；

(3)接着依次重复步骤(1)和步骤(2)1次；

(4)最后将上述制备的材料置于800℃氩气气氛中进行快速热处理。

所制备的硅薄膜负极的首次放电容量为3000mah/g，0.1c循环300次容量保持率为86％，2c循环300次容量保持率为81％。

实施例4

采用下述步骤进行制备如图1所示的锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构：

(1)首先采用热丝化学气相沉积法在铜箔1表面制备一层10nm厚的硅薄膜2；

(2)然后采用铂辅助化学腐蚀法在硅薄膜2表面制备一层粒径为5nm的铂颗粒层3；

(3)接着依次重复步骤(1)和步骤(2)100次；

(4)最后将上述制备的材料置于800℃氩气气氛中进行快速热处理。

所制备的硅薄膜负极的首次放电容量为3260mah/g，0.1c循环300次容量保持率为89.5％，2c循环300次容量保持率为84.7％。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，在铜箔表面制备一层硅薄膜；

步骤(2)，在硅薄膜表面制备一层均匀分布的金属颗粒；

步骤(3)，依次重复步骤(1)和步骤(2)n次；

步骤(4)，将上述制备的材料置于保护气氛中进行界面合金化热处理。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备所述硅薄膜的方法为化学气相沉积法或物理气相沉积法。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于：单层所述硅薄膜的厚度为10-5000nm。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中制备所述金属颗粒的方法为物理气相沉积法或金属辅助化学腐蚀法。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于：所述金属颗粒为银或铜或金或铂颗粒。

6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于：所述金属颗粒的粒径为5-500nm且小于单层所述硅薄膜的厚度。

7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中重复次数n为1-100。

8.一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构的制备方法，(1)首先在铜箔表面制备一层硅薄膜；(2)然后在硅薄膜表面制备一层均匀分布的金属颗粒；(3)接着依次重复步骤(1)和步骤(2)n次；(4)最后将上述制备的材料置于保护气氛中进行界面合金化热处理。本发明还公开了一种采用上述方法制备得到的锂离子电池硅/金属复合薄膜负极结构。本发明的硅薄膜负极结构可通过金属颗粒和合金界面的作用提升硅薄膜负极的导电性以及铜箔和硅薄膜之间、金属颗粒和硅薄膜之间的结合力，从而提高其倍率性能并避免硅薄膜和金属发生分离。本发明的硅薄膜负极结构可望同时具备优异的倍率特性、循环稳定性以及高的比容量。

技术研发人员：岳之浩;周浪;徐国军;黄海宾;尹传强
受保护的技术使用者：江西昌大高新能源材料技术有限公司
技术研发日：2020.04.28
技术公布日：2020.08.25