[发明专利]一种超薄硅膜及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种超薄硅膜及其制备方法和用途，该超薄硅膜自下而上依次包括导电基底层、硅膜层和钝化层，由磁控溅射和原子层沉积方法制备得到。该超薄硅膜的硅膜层厚度均匀可控，钝化层厚度适宜，具有优异的电化学性能，用于锂二次电池的电极，能够改变电极材料表面的电化学反应、加快锂离子在充放电过程中的嵌入和脱嵌过程，从而大幅度提高锂二次电池的性能。

技术领域

本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种超薄硅膜及其制备方法和用途。

背景技术

锂二次电池作为手机、照相机等的便携能源，在日常生活中得到了广泛的应用。为了解决化石能源危机以及缓解汽车尾气等引起的环境问题，锂电池将在电动车、电动汽车等领域得到更广泛的应用。但是现有电池较低的能量密度和功率密度，抑制了电动车、电动汽车的进一步发展，因此具有较高能量密度的新型储能体系的研发就具有重要的意义。

目前锂电池主要使用碳电极作为负极，石墨的理论容量为372mAh/g，而硅材料作为负极的理论容量约为4200mAh/g，能够达到碳负极的理论容量的十倍以上，从而具有较高的发展前景和研究价值。但是以硅作为电极材料在充放电过程中，硅负极的的膨胀收缩率较大(>300％)，这导致了电池的循环性能等二次电池特性变差，从而影响电池使用，需要进行进一步的研究。

目前，硅材料的性能改进主要通过设计新型结构以及材料的表面改性两方面进行，新型结构的设计主要是指一些通过利用纳米结构来减少体积膨胀收缩的影响，如纳米棒、纳米管或者纳米颗粒等，如专利CN 102709536A公开了一种硅碳复合材料及其制备方法，所述的硅碳复合材料是一种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料，其中纳米级的硅的平均直径为50～500nm；而材料的改性，主要通过表面修饰或者掺杂等，如CN102054966A公开了一种多层膜负极极片及其制备方法，包括金属基片和金属基片上沉淀的至少一层无定型碳膜和一层掺杂硅膜，掺杂硅膜外涂覆一层聚合物涂层，掺杂硅膜的元素为铝铜铁锡硼。这些方法都从不同角度上提高了硅负极的二次电池性能，但是仍无法满足商业化的需求。

以磁控溅射制备硅膜具有方法简单、厚度可控、结构均匀等特点，相比上述方法具有一定优势。另外，已有研究表明在硅膜的表面包覆一层钝化层，能够模拟SEI膜在充放电过程中的作用，改变电极表面化学反应，清除电解液分解产生的氟化氢，从而保护硅负极，但是包覆的钝化层的厚度不易太薄也不易太厚，需控制在一个理想范围内。以Al₂O₃包覆层为例，在硅负极的表面包覆Al₂O₃能够加快锂离子在电极表面的交换速率，从而提高负极的大倍率性能，另外Al₂O₃包覆层能够模拟SEI膜对硅负极的保护作用，提高硅负极的循环稳定性；但是，Al₂O₃与Li⁺反应会生成LiAiO₂或者Li_xAl₂O₃，而LiAiO₂的电导率远远低于电解液的电导率。所以，在硅膜的表面沉积一层Al₂O₃过厚，会增加离子或电子的传输速率进而增加极化作用。因此，有必要进行进一步的研究以制备一种能够用于锂二次电池的具有优异电化学性能的硅膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄硅膜及其制备方法和用途，该超薄硅膜能够改变电极材料表面的电化学反应、加快锂离子在充放电过程中的嵌入和脱嵌过程，从而大幅度提高锂二次电池的性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述超薄硅膜，其超薄的定义为厚度在10μm-100μm。

一种超薄硅膜，自下而上依次包括导电基底层、硅膜层和钝化层。

所述导电基底层、硅膜层和钝化层的形状相同。