[發明專利]利用真空磁控濺射鍍膜技術制備鋰電池C?Si負極涂層的方法

在審

• 申請號: 201710656804.0
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107482160A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 趙斌
• 申請（專利權）人: 深圳市烯谷能源控股有限公司
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/1393;H01M4/1395;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市德錦知識產權代理有限公司44352
• 代理人: 丁敬偉

技術領域

本發明涉及鋰電池器件及鋰電池材料制造技術領域，具體涉及一種利用真空磁控濺射鍍膜技術制備鋰電池C-Si負極涂層的方法。

背景技術

鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解液組成。充電時加在電池兩極的電勢迫使正極的嵌鋰化合物釋放出鋰離子,通過隔膜后嵌入六方片層結構的石墨負極中；放電時鋰離子則從片層結構的石墨中析出,重新和正極的嵌鋰化合物結合,鋰離子的移動產生了電流。

在鋰離子電池的負極中，在鋰離子電池負極材料中，天然石墨和人造石墨占據著90％以上的負極材料市場份額，石墨化中間相碳微球(MCMB)、無定形碳、硅或錫類占據小部分市場份額。

硅作為具有已知最高的鋰離子儲存容量的材料(4199mAh/g)，在嵌入或脫出鋰時會發生最高約300％的極大的體積變化。由于該體積變化，導致活性材料及整體電極結構具有大的機械應力，如果進行電化學研磨，會導致電接觸的損失并由此在容量損失的情況下導致電極損壞。此外，硅負極材料的表面與電解質的成分會發生反應，從而連續地形成鈍化保護層(固體電解質界面SEI)，這導致不可逆的鋰損失。

一種可能的解決方案在于，不以純凈形式，而是作為與碳的復合物使用硅基活性材料。碳質量小，特征在于在充電/放電期間的體積變化小，碳基負極具有非常好的電化學穩定性，通過將這兩種元素的優點結合在一起(Si具有大的容量，C具有高的穩定性)，C/Si基電極活性材料在能提高的容量的情況下還具有比純硅更穩定的循環特性。

磁控濺射法作為一種常見的物理氣相沉積的方法，已經成功應用于不同薄膜的制備工藝，特別是在薄膜半導體制造中，廣泛使用不同物質的參雜濺鍍制造各種功能器件。

現有鋰電池制造工藝，是采用石墨與硅材料機械混合攪拌后，濕法涂覆在銅箔上面制作鋰電池負極，對Si材料的高容量性能利用沒有達到預期的效果。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的缺陷和不足，提供一種利用真空磁控濺射鍍膜技術制備鋰電池C-Si負極涂層的方法，它通過磁控濺射真空鍍膜技術在鋰電池負極銅箔上沉積一層C-Si復合負極薄膜，以提高負極電極電性能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：利用等離子真空磁控濺射鍍膜設備在鋰電池集電極用的銅箔上濺射制備C-Si復合薄膜。

較優的，該方法它包括以下步驟：

a、選取光面銅箔，按所使用的真空磁控濺射鍍膜設備裝載尺寸進行分切；

b、設置真空磁控濺射鍍膜設備的Si陰極靶與C陰極靶的安裝位置，使Si陰極靶濺射的Si等離子和C陰極靶濺射的C等離子摻雜濺鍍實現1/2的體積重疊；

c、設置真空磁控濺鍍工藝條件；

d、在真空環境中，真空直流磁控濺鍍參雜鍍C-Si膜,使Si等離子和C等離子摻雜并達到200-500nm厚度；

e、鍍膜后的銅箔在真空干燥箱內干燥后真空袋封存；

較優的，所述步驟c中真空濺鍍工藝條件為：設置本底真空度5x10^-3Pa，充入高純氬氣直至濺鍍工作真空度達到3x10^-1Pa。

較優的，在所述步驟d中設置C陰極靶功率范圍為6kw-9kw，設置Si陰極靶功率1kw-4kw，控制C等離子和Si等離子的成分比例在1:3。

較優的，所述步驟b中Si陰極靶與C陰極靶的之間的間距設置為10mm。

較優的，步驟e包括：鍍膜后的銅箔在40-60℃的真空干燥箱中干燥2h后真空袋封存。

較優的，進行步驟a之前還可以包含如下步驟：將鋰電池集電極用的銅箔經過NaOH或HCl等酸或者堿性物質溶液的浸潤并停留一定的時間，再使用清水將其表面殘留的酸或者是堿清洗干凈，最后經過烘干。

較優的，所述等離子真空磁控濺射鍍膜設備為臺灣產MS-700/In-Line真空磁控濺射系統。

較優的，所述選取光面銅箔的厚度為8-12um，將所述選光面銅箔分切成600mmX250mm大小單元裝載于MS-700/In-Line真空磁控濺射系統上。

較優的，所述步驟d后還可以在真空環境中對已鍍膜的銅箔進行高溫退火。

采用上述方法后，本發明優選實施方案的有益效果為：

1、利用現有的真空磁控濺射鍍膜實驗設備，實現摻雜濺射制備C-Si復合薄膜。

2、利用對陰極濺射功率的控制，實現了摻雜比例靈活可調節。

3、真空環境中高溫退火，提高了材料的結晶度。