[發明專利]一種三明治結構硅基薄膜電極體系及其制備方法

有效

• 申請號: 202110359473.0
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113097449B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 廖寧波;許軻
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525;H01M4/1395
• 代理公司: 杭州萬合知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33294
• 代理人: 余冬;萬珠明

本發明公開了一種三明治結構硅基薄膜電極體系及其制備方法，包括硅基板，硅基板上覆蓋有一層SiCN阻擋層，SiCN阻擋層上覆蓋有一層Al薄膜層，Al薄膜層上覆蓋有一層SiAlCO過渡層，SiAlCO過渡層上設有負極材料層；所述的負極材料層由兩層硅膜層和一層位于硅膜層中間的SiAlCO層組成。本發明可以大大緩解硅薄膜在充放電時的產生體積變化，從而解決了薄膜電極循環穩定性差和倍率性能差的不足的問題。

技術領域

本發明涉及多層薄膜電極技術領域，特別涉及一種三明治結構硅基薄膜電極體系及其制備方法。

背景技術

可充電鋰離子電池的能量密度在所有已知能量儲存技術中居于首位，同時它還具有循環穩定性好、工作溫度適當、自放電效應弱、無記憶效應和綠色環保等優點，鋰離子電池正廣泛地為消費電子產品提供動力。在當前眾多的高比容量鋰離子電池負極材料中，硅材料具有最高的理論比容量(可達4200mAh/g)，是商業化應用石墨負極理論比容量的近10倍，同時具有較低的放電平臺(0.4V)，且安全無毒儲量豐富，因此被廣泛被認為是一種極具應用前景的電極材料。然而，硅電極在嵌鋰過程中會產生嚴重的體積膨脹和容量損失，研究各種硅基納米材料和復合材料，解決其體積膨脹的問題，成為當前硅基材料研究的關鍵。根據硅在復合材料中不同的分布位置可分為包覆型、嵌入型等，盡管目前的方法能一定程度抑制硅在嵌鋰過程的體積變化，但是改進后的硅材料在倍率性能與容量保持率上仍有不足。

碳材料具有脫/嵌鋰電位低、價格低廉、穩定性高、溫度范圍廣等優點，尤其碳材料能有效抑制體積膨脹而引發的可逆容量較低、倍率性能和循環性能差等問題。但是碳材料的比容量僅為372mAh g-1，難以滿足鋰電池對高容量的實際需求。另外，許多碳材料的純度相對較低，作為鋰離子電池電極反應時伴隨的副反應較多。硅碳氧(SiCO)陶瓷材料具有優良的化學耐久性、高溫穩定性、高蠕變性和其它特殊力學性能而被用于或擬用于氣體分離、熱防護、輻射防護。作為鋰電池負極材料，具有可靠的循環穩定性和較大的鋰容量(800mAhg^-1)。其中，SiCO中含有無定形碳網絡，可以展現出跟碳類似的優異循環性能，SiCxO4-x單元被認為是SiCO鋰容量的潛在來源，而在SiCO中摻雜Al能改善其充放電滯后現象。此外，薄膜結構因其制造成本低廉，制備工藝簡單而被廣泛應用，基于薄膜電極的可充電鋰離子電池在全固態和便攜式儲能器件中有著廣泛的應用前景。通過磁控濺射制備的薄膜通常為玻璃態非晶相結構，具有晶界小、離子電導率高、表面能低以及各向同性等優點，特別適合SiCO基非晶陶瓷薄膜的制備。但是目前的薄膜電極中硅薄膜在充放電時會產生體積變化，導致電極循環穩定性差和倍率性能差的不足的問題。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種三明治結構硅基薄膜電極體系及其制備方法。本發明可以大大緩解硅薄膜在充放電時的產生體積變化，從而解決了薄膜電極循環穩定性差和倍率性能差的不足的問題。

本發明的技術方案：一種三明治結構硅基薄膜電極體系，包括硅基板，硅基板上覆蓋有一層SiCN阻擋層，SiCN阻擋層上覆蓋有一層Al薄膜層，Al薄膜層上覆蓋有一層SiAlCO過渡層，SiAlCO過渡層上設有負極材料層；所述的負極材料層由兩層硅膜層和一層位于硅膜層中間的SiAlCO層組成。

上述的三明治結構硅基薄膜電極體系，所述SiCN阻擋層的厚度為200nm。

前述的三明治結構硅基薄膜電極體系，所述Al薄膜層的厚度為300m。

前述的三明治結構硅基薄膜電極體系，所述SiAlCO過渡層的厚度為100nm。

前述的三明治結構硅基薄膜電極體系，所述硅膜層的厚度為400nm。

前述的三明治結構硅基薄膜電極體系，所述SiAlCO層的厚度為800nm。

前述的三明治結構硅基薄膜電極體系的制備方法，按以下步驟進行：