[发明专利]一种三明治结构硅基薄膜材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池用硅基负极材料及制备方法，特别是一种三明治结构硅基薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂电池由于很高的能量和功率密度而在移动电子产品市场占有举足轻重的地位，经过近年来研究技术以及应用领域的拓展，锂离子电池开始朝着多元化方向推进，在电动汽车及储能电站等领域也存在巨大需求。

正极材料的技术突破奠定了锂电池应用领域从手机、笔记本电脑等电子终端设备走向电动汽车和储能技术领域的基础，而目前广泛应用的石墨类负极材料，储锂容量较低，实际比容量已经接近372mAh/g的理论值，很难再有提升的空间。而且嵌锂电位接近金属锂电位，在高倍率充电时有安全隐患，开发新型负极材料已成为提高锂电池性能的关键。目前高容量负极材料的研究主要集中在Si、Sn等能与Li合金化的金属，该类合金负极的可逆脱嵌锂的量远远大于石墨，其中硅的理论嵌锂容量高达4200mAh/g（形成Li₂₂Si₅时）。但是由于其脱嵌锂反应伴随大的体积变化（约300%），造成材料结构破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减，循环性能恶化。在获得高容量的同时，如何提高Si基负极材料的循环性能，是Si基材料的研究重点。

由于硅的体积效应，研究人员采用了各种硅的复合材料，如Si-碳、Si-金属如Si-Ni、Si-Cu、Si-Ca等和Si-非金属化合物复合材料如Si-TiN、Si-TiB₂、Si-SiC等，虽在循环性能上得到了一定的改善，但依然不理想。除采用硅的复合材料外，研究人员也采用硅电极材料纳米化来改善循环性能，如硅纳米线、纳米空心球等。近年来薄膜材料发展迅速，硅薄膜比容量高，循环性能好，因此硅薄膜电极材料日益受到人们的重视，如采用磁控溅射或者化学沉积，在集流体上沉积硅薄膜；采用化学气相沉积，在石墨表面沉积纳米硅薄膜等，这些方法也在一定程度上改善了硅的循环性能，但单层膜改善程度有限，材料的循环性能依然不能满足需要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种三明治结构硅基薄膜材料及其制备方法和应用，该硅基薄膜材料通过改进集流体和沉积层制备，可有效延长锂电池硅基负极容量衰减速度、改善循环性能，可用于锂电池的负极。

本发明的技术方案：

一种三明治结构硅基薄膜材料，由金属层（M层）、硅层（Si层）和金属层（M层）构成叠层三明治结构，金属层薄膜的厚度为20-100nm、Si层薄膜的厚度为60nm-9.8μm，三层薄膜（M-Si-M）的总厚度为0.1-10.0μm。

所述金属层为Y、Ti、Al或Zn靶，硅层为n型或p型单晶硅。

一种所述三明治结构硅基薄膜材料的制备方法，采用金属层的金属靶、Si层的硅靶、金属层的金属靶交替溅射工艺，在基底上先制备金属导电附着层薄膜，然后制备硅薄膜，最后在硅薄膜表面覆盖金属薄层，形成三明治结构，制备步骤如下：

1）在磁控溅射腔体内样品位置安装清洗好的基底，再安装靶材，靶材的纯度均大于99.9%，靶材指向样品位，靶材与基底的距离为5-10cm；

2）对腔体本底抽真空至1.0×10^-3Pa以下，向腔体中通入纯度为99.99%以上的Ar气，流量为10-200sccm，调节溅射腔室内气压为0.1-10.0Pa，基底温度为25-400℃，基底转速为10-30r/min，使用直流或射频磁控溅射模式在基底上溅射金属导电附着层；

3）然后使用直流或射频磁控溅射模式在金属附着层溅射Si层；

4）再使用直流或射频磁控溅射模式在Si层表面溅射金属薄层，自然冷却至25℃后，即可制得三明治结构硅基薄膜材料。

所述基底为泡沫铜、泡沫镍、铜网/片或不锈钢网/片。

所述直流或射频磁控溅射的工艺参数：电源的电流为100-350mA，电压为500-1500V，每一层的溅射时间为5-180min以控制薄膜厚度。

一种所述三明治结构硅基薄膜材料的应用，用作锂电池的电极材料，方法是：将三明治结构硅基薄膜材料直接作为电极使用，基底作为集流体，以硅基薄膜材料为正极，金属锂为负极，两电极以隔膜分隔，加入电解液，在干燥氩气或空气中组装成半电池。

所述隔膜为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、纤维素和玻璃纤维的一种或两种以上任意比例的混合薄膜。