[发明专利]一种三明治结构硅基薄膜电极体系及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三明治结构硅基薄膜电极体系及其制备方法，包括硅基板，硅基板上覆盖有一层SiCN阻挡层，SiCN阻挡层上覆盖有一层Al薄膜层，Al薄膜层上覆盖有一层SiAlCO过渡层，SiAlCO过渡层上设有负极材料层；所述的负极材料层由两层硅膜层和一层位于硅膜层中间的SiAlCO层组成。本发明可以大大缓解硅薄膜在充放电时的产生体积变化，从而解决了薄膜电极循环稳定性差和倍率性能差的不足的问题。

技术领域

本发明涉及多层薄膜电极技术领域，特别涉及一种三明治结构硅基薄膜电极体系及其制备方法。

背景技术

可充电锂离子电池的能量密度在所有已知能量储存技术中居于首位，同时它还具有循环稳定性好、工作温度适当、自放电效应弱、无记忆效应和绿色环保等优点，锂离子电池正广泛地为消费电子产品提供动力。在当前众多的高比容量锂离子电池负极材料中，硅材料具有最高的理论比容量(可达4200mAh/g)，是商业化应用石墨负极理论比容量的近10倍，同时具有较低的放电平台(0.4V)，且安全无毒储量丰富，因此被广泛被认为是一种极具应用前景的电极材料。然而，硅电极在嵌锂过程中会产生严重的体积膨胀和容量损失，研究各种硅基纳米材料和复合材料，解决其体积膨胀的问题，成为当前硅基材料研究的关键。根据硅在复合材料中不同的分布位置可分为包覆型、嵌入型等，尽管目前的方法能一定程度抑制硅在嵌锂过程的体积变化，但是改进后的硅材料在倍率性能与容量保持率上仍有不足。

碳材料具有脱/嵌锂电位低、价格低廉、稳定性高、温度范围广等优点，尤其碳材料能有效抑制体积膨胀而引发的可逆容量较低、倍率性能和循环性能差等问题。但是碳材料的比容量仅为372mAh g-1，难以满足锂电池对高容量的实际需求。另外，许多碳材料的纯度相对较低，作为锂离子电池电极反应时伴随的副反应较多。硅碳氧(SiCO)陶瓷材料具有优良的化学耐久性、高温稳定性、高蠕变性和其它特殊力学性能而被用于或拟用于气体分离、热防护、辐射防护。作为锂电池负极材料，具有可靠的循环稳定性和较大的锂容量(800mAhg^-1)。其中，SiCO中含有无定形碳网络，可以展现出跟碳类似的优异循环性能，SiCxO4-x单元被认为是SiCO锂容量的潜在来源，而在SiCO中掺杂Al能改善其充放电滞后现象。此外，薄膜结构因其制造成本低廉，制备工艺简单而被广泛应用，基于薄膜电极的可充电锂离子电池在全固态和便携式储能器件中有着广泛的应用前景。通过磁控溅射制备的薄膜通常为玻璃态非晶相结构，具有晶界小、离子电导率高、表面能低以及各向同性等优点，特别适合SiCO基非晶陶瓷薄膜的制备。但是目前的薄膜电极中硅薄膜在充放电时会产生体积变化，导致电极循环稳定性差和倍率性能差的不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三明治结构硅基薄膜电极体系及其制备方法。本发明可以大大缓解硅薄膜在充放电时的产生体积变化，从而解决了薄膜电极循环稳定性差和倍率性能差的不足的问题。

本发明的技术方案：一种三明治结构硅基薄膜电极体系，包括硅基板，硅基板上覆盖有一层SiCN阻挡层，SiCN阻挡层上覆盖有一层Al薄膜层，Al薄膜层上覆盖有一层SiAlCO过渡层，SiAlCO过渡层上设有负极材料层；所述的负极材料层由两层硅膜层和一层位于硅膜层中间的SiAlCO层组成。

上述的三明治结构硅基薄膜电极体系，所述SiCN阻挡层的厚度为200nm。

前述的三明治结构硅基薄膜电极体系，所述Al薄膜层的厚度为300m。

前述的三明治结构硅基薄膜电极体系，所述SiAlCO过渡层的厚度为100nm。

前述的三明治结构硅基薄膜电极体系，所述硅膜层的厚度为400nm。

前述的三明治结构硅基薄膜电极体系，所述SiAlCO层的厚度为800nm。

前述的三明治结构硅基薄膜电极体系的制备方法，按以下步骤进行：