[发明专利]一种用于锂电池的氮化锡/硅负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于新能源锂电池负极材料技术领域，具体的说，涉及一种用于锂电池的氮化锡/硅负极材料及其制备方法，所述的制备方法包括：(1)在片层状的多晶硅片表面喷涂碳化硅粉末，形成高度为5‑10μm的凸起结构；(2)在步骤(1)的多晶硅表面沉积形成纳米氮化锡薄膜；(3)施加包含四氟化碳、氮气和氩气的气体混合物形成的高密度等离子体蚀刻步骤(2)中的多晶硅表面，即得所述的氮化锡/硅负极材料；本发明提供的氮化锡/硅负极材料，通过喷涂在多晶硅片表面的碳化硅颗粒及沉积形成的纳米氮化锡薄膜形成了复合的骨架结构，结合碳化硅具有较小的热膨胀系数，导热性能良好，有效的减小了硅负极材料的体积效应。

技术领域

本发明属于新能源锂电池负极材料技术领域，具体的说，涉及一种用于锂电池的氮化锡/硅负极材料及其制备方法。

背景技术

随着时代的需求，锂离子电池用负极材料的研究重点正朝着高比能量、高充放电效率、高循环性能和耐高倍率充放电的动力型电池材料方向发展。2016年，我国发布的动力电池能量密度硬性指标，根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年纯电动汽车的动力电池的能量密度目标为350W·g/kg。

为了满足新一代的能源需求，开发新型的锂电池负极材料迫在眉睫。硅在常温下可与锂合金化，生成Li₁₅Si₄相，理论比容量高达3572mA·h/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mA·h/g)，在地壳元素中储量丰富(26.4％，第2位)，成本低，环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员的关注，是最具有潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而，硅在充放电过程中存在严重的体积膨胀(～300％)，巨大的体积效应及较低的电导率限制了硅负极技术的商业化应用。为了克服这些缺陷，研究者进行了大量的常识，采用复合化技术，利用“缓冲骨架”抑制材料的体积膨胀。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于锂电池的氮化锡/硅负极材料的制备方法，减小硅负极材料的体积效应，提高锂电池的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种用于锂电池的氮化锡/硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在片层状的多晶硅片表面喷涂碳化硅粉末，形成高度为5-10μm的凸起结构；

(2)在步骤(1)的多晶硅表面沉积形成纳米氮化锡薄膜；

(3)施加包含四氟化碳、氮气和氩气的气体混合物形成的高密度等离子体蚀刻步骤(2)中的多晶硅表面，即得所述的氮化锡/硅负极材料。

通过在片层状的多晶硅片表面喷涂碳化硅粉末，然后沉积纳米氮化锡薄膜，形成一层具有膨胀系数小、导热性能良好的碳化硅/氮化锡骨架结构；利用等离子体的尖端放电效应，将多晶硅片表面的凸起部分烧蚀，在氮化锡表面形成网状孔隙结构，增加锂离子脱嵌通道，提高负极材料的首次放电比容量；同时，本发明中的碳化硅和氮化锡的叠合层能有效的减小硅负极材料的体积效应，避免出现硅负极材料的剥落现象。

根据本发明，为了减小硅负极材料的体积效应，在多晶硅表面喷涂碳化硅粉末，而碳化硅粉末的覆盖率过大必然会减少锂离子的脱嵌通道，降低锂电池的电化学性能，而碳化硅粉末的覆盖率过低在不易供氮化锡附着并利用等离子体的尖端放电形成网状孔隙结构，本发明中所述的碳化硅粉末在多晶硅表面的覆盖率为30-50％。

为了确保喷涂的碳化硅粉末具有良好的附着效果，优选的，对本发明中所述的片层状的多晶硅片进行清洗，采用柠檬酸溶液清除多晶硅片表面的油污，然后将多晶硅片烘干待喷涂。