[发明专利]一种多孔结构SiCO基锂电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层薄膜电极，特别是一种多孔结构SiCO基锂电极。

背景技术

锂离子因其具有能量高、使用寿命长、重量轻、体积小等一系列优点。全球手机用户数量以15％-25％左右的速度在增加，50％-70％的电池都采用锂电池的笔记本电脑的发展，都将使锂离子电池的需求逐年增加。随着世界各国对能源安全和环境保护在战略上更加重视，电动汽车以其节能、低排放的特点被各国作为战略型新型产业来大力发展。电极是锂离子电池的核心部件，而电极材料是决定锂电池综合性能优劣的关键因素，开发新一代高性能电极材料一直是锂电池研究的重要方向。

目前在锂离子电池负极材料中应用最广泛的石墨理论克容量为372mAhg-1，这远未达到迅猛发展的各种便携式产品尤其是新能源汽车动力电池的高容量需求。此外,在充放电过程中石墨层容易逐渐剥落，从而影响其循环性能。硅具有非常高的容量(理论值达到约4200mAhg-1)，但硅在锂离子嵌入后其体积膨胀非常大，从而会导致其容量在充放电循环中不断减小，目前硅基材料在循环性能上的不足限制了其进一步的实际应用。

最近研究表明，高含碳量的SiCO陶瓷具有良好的电化学性能和较低的成本。作为锂电池负极材料，SiCO中的碳网结构具有良好弹性并能够帮助硅在充放电过程中恢复产生的巨大的体积变化,加上无定形碳基体对硅在充放电过程中的体积变化的缓冲和吸收,使复合材料在充放电过程中能保持较好的形貌稳定。但SiCO也存在不可逆容量损失和充放电滞后等尚待解决的问题，使其循环性能仍未达到商业化应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多孔结构SiCO基锂电极。本发明不仅提高了SiCO的锂容量，还可以大大缓解电极材料在充放电时的产生体积膨胀，并控制容量衰减，从而解决SiCO电极循环稳定性差的不足。此外，薄膜材料作为电极还可以有效的缩短锂离子在嵌入脱出过程中的迀移路径，并提高扩散速率，从而改善材料在高倍率充放电时的电化学性能。

本发明的技术方案：一种多孔结构SiCO基锂电极，包括单晶硅基板，单晶硅基板上自下而上依次设有TiN阻挡层、Al薄膜层、SiAlCO薄膜层、SiBCO薄膜层和SiCO薄膜层。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述TiN阻挡层的厚度为95-105nm。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述Al薄膜层的厚度为195-205nm。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述SiAlCO薄膜层的厚度为45-55nm。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述SiBCO薄膜层的厚度为195-205nm；所述SiCO薄膜层的厚度为195-205nm。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述多孔结构SiCO基锂电极的制备方法按下述步骤进行：

①对单晶硅基板用丙酮超声清洗8分钟，然后分别用去离子水和酒精超声波清洗8分钟；

②重复3遍步骤①，再在真空干燥箱中烘干；

③在真空条件下对单晶硅基板进行离子束溅射清洗；

④在纯度为99.99％的氩气作为工作气体的环境下，采用磁控溅射的方法将溅射靶材溅射到单晶硅基板表面形成衬体；所述溅射靶材分别是TiN，Al，Si、石墨和Al，Si、石墨和硼，Si、石墨和硅聚四氟乙烯，SiO₂；所述衬体分别是TiN阻挡层、Al薄膜层、SiAlCO薄膜层、SiBCO薄膜层和SiCO薄膜层。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述SiBCO薄膜层是具有多孔结构的SiBCO薄膜层，制备方法如下：将试样浸入浓度40％的氢氟酸溶液4分钟，然后浸入浓度20％的氢氟酸溶液30分钟，从而得到具有多孔结构的SiBCO薄膜，最后用蒸馏水把试样表面残留的氢氟酸清洗干净，并放入120摄氏度烘干箱烘干40分钟去除残余水分。

前述的多孔结构SiCO基锂电极中，所述SiCO薄膜层是具有多孔结构的SiCO薄膜层。