[发明专利]一种复合涂层包覆的硅基材料其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合涂层包覆的硅基负极材料其制备方法，属于复材料领域及电化学领域。该方法首先采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在电极材料表面沉积SiOx/SiC保护层，随后采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层。本发明提供的制备方法解决了传统硅基负极电极粉末本征电导率低，在充放电过程中的体积膨胀严重，稳定性差的问题，所制备的复合涂层包覆的硅基负极材料在制备成锂离子半电池后，在500 mA g‑1的电流密度下进行测试，体积膨胀明显较小，稳定性增加，倍率性能和循环性能有所提高。另外，本发明制备工艺简单、成本低、污染小，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种复合涂层包覆的硅基复合材料及其制备方法，主要用于锂离子电池负极材料，属于复材料领域及电化学领域。

背景技术

近年来，随着气候恶化和能源短缺，绿色可再生能源替代化石燃料的发展受到广泛关注。二次电池作为一种高效、清洁和可持续的能源，被认为是改善上述问题极有前途的技术之一。其中，锂离子电池因其能量密度高、无记忆效应、环境友好性等优点而被广泛应用于各种电子设备中。

负极材料被认为是影响锂离子电池性能的关键部件。目前，商用石墨负极材料受限于理论比容量（372 mA h g-1），已无法满足电动汽车市场对长续航能力的需求，亟需发展新型锂离子电池负极材料。

硅具有高达4200 mA h g-1的理论比容量，极丰富的自然界储备和环境友好等优势，被认为是最有前途的负极材料之一。然而，硅基负极材料仍存在许多问题，如本征电导率低；在充放电过程中体积膨胀/收缩大，易形成裂纹，随后电极活性物质粉碎并造成不可逆的容量损失。上述问题严重阻碍了硅基负极材料的商业化。

针对上述问题，CN115224257A公开了一种快离子复合体包覆硅基复合材料及其制备方法和应用；CN114132914A公开了一种二氧化钛-碳双层包覆硅基复合材料及其制备和应用。但上述方案制得的硅基负极材料表面薄膜包覆作用力都较弱，不足以形成牢固、均匀的包覆层，制备工艺较复杂，成本高且可控性差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术制备的硅基负极表面包覆层不牢固及制备过程复杂、成本高且可控性差等的问题，提供一种复合涂层包覆的硅基负极材料及其制备方法，作为锂离子电池负极材料能够有效抑制硅基材料在充放电过程中的体积膨胀，且材料的导电性得到提升。

本发明复合涂层包覆的硅基材料的制备方法，是首先采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在纳米硅粉表面沉积SiOx/SiC保护层，随后采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层。具体制备工艺包括如下步骤：

（1）将硅粉真空干燥后放入磁控溅射装置真空镀膜室的旋转工架上，调整靶间距并抽真空至10^-4 Pa，开启旋转工架和石墨靶，并使承载硅粉的旋转工架与石墨靶为反方向均速转动。所述硅粉的粒径在0.1~100um之间。真空干燥是在真空烘箱中，110℃条件下烘干处理120 min，以去除材料表面所吸附的水份和部分可挥发性有机物。

（2）通入氩气、二氧化碳，调节腔室气压至30 Pa，采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在硅粉表面沉积SiOx/SiC保护层。其中，氩气和二氧化碳气体的气流量比控制在1:2~1:5。所用射频等离子体的电源为13.56MHz射频电源，输出功率300W，工作时间为8min。

（3）仅通入氩气，调节腔室气压至1 Pa，采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层，即得复合涂层包覆的硅基负极材料。其中，非平衡磁控溅射电源的占空比为0.6，电流为0.8~4 A，工作时间为10 min。

复合涂层的厚度可根据应用需要控制在15~110nm。