[发明专利]一种非晶铁硅锂离子电池负极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非晶铁硅薄膜锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池负极材料技术领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日趋严重，新能源的开发应用变得越来越重要，锂离子电池由于其工作电压高、比能量高、循环寿命长、无污染等优点成为新能源领域研究的热点，并在便携式电子产品、电动自行车、储能设备等领域得到广泛应用。

然而，随着各类电子产品的发展，对锂离子电池的性能要求也越来越高，探求新型高比容量、循环性能好的锂离子电池负极材料就成为目前研究的热点。碳材料是目前商品化锂离子电池广泛使用的负极材料，其比容量较低，仅为372 mAh/g，这已经渐渐不能满足人们的需求；而硅具有比碳材料高近10倍的理论比容量（4200mAh/g）和接近碳材料的吸锂电位，因此成为了下一代锂离子电池负极的候选材料。但是限制硅材料发展的一个瓶颈是在电化学吸、放锂过程中出现较大的晶格膨胀和微观结构的变化而导致比较短的循环寿命。碳材料的体积膨胀率为12%，而硅材料可高达300%，如此大的膨胀率，导致活性材料在电化学吸、放锂过程中急速粉化，使活性材料颗粒之间和活性材料与导电集流体之间的导电性显著降低，从而使电极的寿命急速衰减。对于硅作为电极时严重的体积效应，已有研究从纳米化、复合硅材料、改善粘结剂导电剂、薄膜化等等几个方面对其进行了改善，但并没有哪一种方案能够兼顾高比容量与良好的循环性能。

发明内容

本发明针对上述不足，使用非晶 FeSi来制备锂离子电池的负极。非晶FeSi与非晶硅相似属于非晶半导体，它不但可以通过改变非晶中的Fe含量灵活地控制负极薄膜的电阻率，改善非晶Si的导电性能；更重要的是Fe的引入对缓解非晶硅较大的体积膨胀有较明显的作用。本发明旨在铜箔集流体上用射频磁控溅射法沉积FeSi非晶薄膜制备锂离子电池负极，在保证较高比容量的前提下显著提高电池的循环特性。

本发明采用的技术方案是：一种非晶铁硅薄膜锂离子电池负极材料，该负极材料具有如下成分通式：Fe_xSi_(100-x)，0＜x≤29，x为原子百分比，且始终为非晶态；使用此负极材料的锂离子电池满足比容量峰值范围为877-3200mAh/g，并且满足150次循环内效率都在90%以上。

所述的一种非晶铁硅薄膜锂离子电池负极材料的制备方法 ：

a、磁控溅射靶材的制备

将纯度为99.99%的纯Fe片用少量导电银胶粘贴在纯度为99.999%多晶Si靶上制成组合靶用于磁控溅射；或者将纯度为99.99%的纯Fe片直接镶嵌到有孔的纯度为99.999%多晶Si靶上制成组合靶用于磁控溅射；根据成分需要调整纯Fe片的个数；

b、铁硅非晶薄膜的磁控溅射

基片清洗：将铜箔经酒精和去离子水各超声波清洗10分钟，然后用N₂将铜箔吹干后放入真空室；

将铜箔和组合靶都放入溅射设备的真空室，采用多级真空系统将真空抽至5.0×10^-4Pa；然后充入99.995%以上纯度的氩气至2-5Pa气压，让靶材起辉，调节氩气流量到10.0Sccm，工作气压调制0.5Pa，溅射功率100W，靶基距为8-12cm，溅射时间为60-90min溅射完毕后，设备冷却1小时，取出溅射好的非晶薄膜样品。

所述的一种非晶铁硅薄膜锂离子电池负极材料应用于组装锂离子电池。

上述技术方案使用EPMA测量非晶薄膜的成分（采用相同制备条件的Al₂O₃(0001)基片上的非晶薄膜样品进行测试，以去除基体成分对薄膜成分的干扰）；使用薄膜X射线衍射仪和透射电子显微镜对薄膜进行微观结构和截面形貌表征（采用相同制备条件的单晶Si(100)基片的非晶薄膜样品进行测试，以去除基体结构对薄膜结构的干扰）；使用四探针系统测试薄膜的电阻率。

将磁控溅射制备好的载有铁硅非晶薄膜的铜箔集流体用冲孔器制成直径14mm的电极片；在手套箱中，以纯度为99.9%的锂片为对电极和参比电极，以1mol∙L⁻¹LiPF₆/EC+DEC(体积比为1:1)为电解液，组装成CR2025型纽扣电池。采用LAND CT2001A电池测试系统对制成的锂离子电池进行恒流充放电测试，工作电压区间为0.01−3.00 V(vsLi/Li⁺)。

本发明的有益效果是：