本發(fā)明涉及化學電源領(lǐng)域，具體涉及一種復合型硅薄膜負極的制備方法與應用。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池因其高能量密度、環(huán)境友好等優(yōu)勢已經(jīng)廣泛應用于電子信息和電動汽車領(lǐng)域，很大程度上緩解了傳統(tǒng)化石燃料帶來的能源和環(huán)境問題。電極材料的性能是影響電池性能的重要因素。

2、傳統(tǒng)商業(yè)石墨負極由于其低理論比容量無法滿足日益增長的能量儲存需求。純硅在完全鋰化狀態(tài)下可以達到4200?mah?g-1的比容量，是碳材料的十倍左右。雖然硅具有明顯的優(yōu)勢，且常被用于鋰離子電池負極材料，但硅材料在充放電過程中巨大的體積變化(＞300%)以及較低的首次庫倫效率阻礙其作為鋰離子電池負極材料的應用。目前，許多研究者通過鍍膜技術(shù)將硅靶材與鋰鹽靶材在惰性氣氛下共沉積得到復合型硅材料，從而達到優(yōu)化其性能的效果。但該制備方法無法通過控制靶材的功率來確定各組分的占比，且制得的電極材料成分不均勻，從而影響電池性能的發(fā)揮。因此有必要設(shè)計并構(gòu)造一種簡單可控的復合型硅薄膜負極的制備方法，可為鋰離子電池的發(fā)展帶來推動力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的技術(shù)不足，提供一種復合型硅薄膜負極的制備方法及應用，以解決現(xiàn)有硅材料由于共沉積等制備方式導致形成的材料成分不均勻以及循環(huán)性能差等現(xiàn)有問題。

2、為達上述目的，本發(fā)明的一方面，提供了一種復合型硅薄膜負極的制備方法。其制備方法如下步驟：

3、步驟一：將硅粉末和鋰化物粉末按不同的質(zhì)量比混合，并制備得到多組分復合靶材；

4、步驟二：采用鍍膜設(shè)備將多組分復合靶材在真空條件下進行濺射，通過調(diào)節(jié)基材溫度，最終在基材上沉積得到復合型硅薄膜負極。

5、本發(fā)明在制備復合型硅薄膜負極的過程中，步驟一所述的鋰化物為氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、氧化鋰、碳酸鋰中的至少一種。

6、本發(fā)明在制備復合型硅薄膜負極的過程中，步驟一所述多組分復合靶材中硅粉末與鋰化物粉末的質(zhì)量比選取范圍為10:1~1:1。

7、本發(fā)明在制備復合型硅薄膜負極的過程中，步驟二所述鍍膜設(shè)備為磁控濺射鍍膜設(shè)備、多弧離子真空鍍膜設(shè)備、脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備中的一種。

8、本發(fā)明在制備復合型硅薄膜負極的過程中，步驟二所述基材的溫度選取范圍為25℃~500℃，基材溫度的調(diào)整有利于形成的復合型硅薄膜負極更加均勻。

9、本發(fā)明在制備復合型硅薄膜負極的過程中，步驟二中的基材為銅、鎳、玻璃、單晶硅片、不銹鋼中的一種。

10、本發(fā)明的另一方面，提供了一種復合型硅薄膜負極的應用。所述的復合型硅薄膜負極包括基材，以及沉積在基材上的活性物質(zhì)。該制備方式無需添加導電劑與粘結(jié)劑，可直接制備形成電極片。所述復合型硅薄膜負極可應用于液態(tài)鋰離子二次電池、固態(tài)鋰離子二次電池中，作為電極材料直接使用。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

12、(1)本發(fā)明通過將硅粉末與鋰化物粉末混合均勻制成多組分復合靶材，采用多組分復合靶材沉積制備的復合型硅薄膜負極材料成分更均勻，且硅和鋰化物的占比可以精準控制，有助于提升其循環(huán)穩(wěn)定性；

13、(2)?本發(fā)明通過將硅粉末與鋰化物粉末混合均勻制成多組分復合靶材，鋰化物具有預鋰化作用，硅材料內(nèi)部提前形成鋰硅合金，提高首次庫倫效率，同時能夠補償由于體積效應而造成的鋰損失，提升硅材料的電化學性能；

14、(3)本發(fā)明采用鍍膜技術(shù)制備復合型硅薄膜負極，該制備方法安全環(huán)保、操作可控、效率較高且工藝簡單，能夠有效的保證復合型硅薄膜負極的性能穩(wěn)定，可適用于實際應用與規(guī)?；a(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種復合型硅薄膜負極的制備方法，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種復合型硅薄膜負極的制備方法，其特征在于，所述鋰化物粉末為氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、氧化鋰、碳酸鋰中的至少一種。

3.如權(quán)利要求1所述的一種復合型硅薄膜負極的制備方法，其特征在于，所述多組分復合靶材中硅粉末與鋰化物粉末的質(zhì)量比選取范圍為10:1~1:1。

4.如權(quán)利要求1所述的一種復合型硅薄膜負極的制備方法，其特征在于，所述鍍膜設(shè)備為磁控濺射鍍膜設(shè)備、多弧離子真空鍍膜設(shè)備、脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備中的一種。

5.如權(quán)利要求1所述的一種復合型硅薄膜負極的制備方法，其特征在于，所述鍍膜設(shè)備基材溫度的選取范圍為25℃~500℃。

6.如權(quán)利要求1所述的一種復合型硅薄膜負極的制備方法，其特征在于，所述基材為銅、鎳、玻璃、單晶硅片、不銹鋼中的一種。

7.如權(quán)利要求1所述的一種復合型硅薄膜負極的制備方法，其特征在于，所述復合型硅薄膜負極用于液態(tài)鋰離子二次電池、固態(tài)鋰離子二次電池。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種復合型硅薄膜負極的制備方法及應用。本發(fā)明將硅和鋰化物混合制備得到多組分復合靶材，通過鍍膜設(shè)備將該多組分復合靶材在真空條件下沉積，得到復合型硅薄膜負極。一方面，該方法采用多組分復合靶材進行單靶濺射，能夠精準地控制硅與鋰化物的質(zhì)量比，相較于多靶共沉積法制得的復合型硅薄膜負極成分更加均勻可控；另一方面，鋰化物的混合具有預鋰化作用，該方法制得的復合型硅薄膜負極具有穩(wěn)定的循環(huán)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：李薦,孫岱華,聶海英
受保護的技術(shù)使用者：湖南省正源儲能材料與器件研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26