[發(fā)明專利]一種多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710887625.8
• 申請(qǐng)日: 2017-09-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107634182A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖寧波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 溫州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/131
• 分類號(hào): H01M4/131;H01M4/48;H01M4/1391;H01M4/04
• 代理公司: 杭州新源專利事務(wù)所(普通合伙)33234
• 代理人: 余冬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多層薄膜電極，特別是一種多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極。

背景技術(shù)

鋰離子因其具有能量高、使用壽命長(zhǎng)、重量輕、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。全球手機(jī)用戶數(shù)量以15％-25％左右的速度在增加，50％-70％的電池都采用鋰電池的筆記本電腦的發(fā)展，都將使鋰離子電池的需求逐年增加。隨著世界各國(guó)對(duì)能源安全和環(huán)境保護(hù)在戰(zhàn)略上更加重視，電動(dòng)汽車以其節(jié)能、低排放的特點(diǎn)被各國(guó)作為戰(zhàn)略型新型產(chǎn)業(yè)來(lái)大力發(fā)展。電極是鋰離子電池的核心部件，而電極材料是決定鋰電池綜合性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，開(kāi)發(fā)新一代高性能電極材料一直是鋰電池研究的重要方向。

目前在鋰離子電池負(fù)極材料中應(yīng)用最廣泛的石墨理論克容量為372mAhg-1，這遠(yuǎn)未達(dá)到迅猛發(fā)展的各種便攜式產(chǎn)品尤其是新能源汽車動(dòng)力電池的高容量需求。此外,在充放電過(guò)程中石墨層容易逐漸剝落，從而影響其循環(huán)性能。硅具有非常高的容量(理論值達(dá)到約4200mAhg-1)，但硅在鋰離子嵌入后其體積膨脹非常大，從而會(huì)導(dǎo)致其容量在充放電循環(huán)中不斷減小，目前硅基材料在循環(huán)性能上的不足限制了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。

最近研究表明，高含碳量的SiCO陶瓷具有良好的電化學(xué)性能和較低的成本。作為鋰電池負(fù)極材料，SiCO中的碳網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有良好彈性并能夠幫助硅在充放電過(guò)程中恢復(fù)產(chǎn)生的巨大的體積變化,加上無(wú)定形碳基體對(duì)硅在充放電過(guò)程中的體積變化的緩沖和吸收,使復(fù)合材料在充放電過(guò)程中能保持較好的形貌穩(wěn)定。但SiCO也存在不可逆容量損失和充放電滯后等尚待解決的問(wèn)題，使其循環(huán)性能仍未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極。本發(fā)明不僅提高了SiCO的鋰容量，還可以大大緩解電極材料在充放電時(shí)的產(chǎn)生體積膨脹，并控制容量衰減，從而解決SiCO電極循環(huán)穩(wěn)定性差的不足。此外，薄膜材料作為電極還可以有效的縮短鋰離子在嵌入脫出過(guò)程中的迀移路徑，并提高擴(kuò)散速率，從而改善材料在高倍率充放電時(shí)的電化學(xué)性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極，包括單晶硅基板，單晶硅基板上自下而上依次設(shè)有TiN阻擋層、Al薄膜層、SiAlCO薄膜層、SiBCO薄膜層和SiCO薄膜層。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述TiN阻擋層的厚度為95-105nm。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述Al薄膜層的厚度為195-205nm。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述SiAlCO薄膜層的厚度為45-55nm。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述SiBCO薄膜層的厚度為195-205nm；所述SiCO薄膜層的厚度為195-205nm。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極的制備方法按下述步驟進(jìn)行：

①對(duì)單晶硅基板用丙酮超聲清洗8分鐘，然后分別用去離子水和酒精超聲波清洗8分鐘；

②重復(fù)3遍步驟①，再在真空干燥箱中烘干；

③在真空條件下對(duì)單晶硅基板進(jìn)行離子束濺射清洗；

④在純度為99.99％的氬氣作為工作氣體的環(huán)境下，采用磁控濺射的方法將濺射靶材濺射到單晶硅基板表面形成襯體；所述濺射靶材分別是TiN，Al，Si、石墨和Al，Si、石墨和硼，Si、石墨和硅聚四氟乙烯，SiO₂；所述襯體分別是TiN阻擋層、Al薄膜層、SiAlCO薄膜層、SiBCO薄膜層和SiCO薄膜層。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述SiBCO薄膜層是具有多孔結(jié)構(gòu)的SiBCO薄膜層，制備方法如下：將試樣浸入濃度40％的氫氟酸溶液4分鐘，然后浸入濃度20％的氫氟酸溶液30分鐘，從而得到具有多孔結(jié)構(gòu)的SiBCO薄膜，最后用蒸餾水把試樣表面殘留的氫氟酸清洗干凈，并放入120攝氏度烘干箱烘干40分鐘去除殘余水分。

前述的多孔結(jié)構(gòu)SiCO基鋰電極中，所述SiCO薄膜層是具有多孔結(jié)構(gòu)的SiCO薄膜層。