[发明专利]一种具有优异循环稳定性的Si1-xMx复合薄膜负极的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有优异循环稳定性的Si_1‑xM_x复合薄膜负极的制备方法。该制备方法选用Si_1‑xM_x合金靶材作为靶材原料，并结合磁控溅射工艺和热处理工艺，制备得到具有优异循环稳定性的Si_1‑xM_x复合薄膜负极。本发明方法选用Si_1‑xM_x合金靶材作为靶材原料制备循环稳定性优异的Si_1‑xM_x复合薄膜负极，薄膜中Si与M的原子比与Si_1‑xM_x合金靶材的原子比非常接近，即能够通过靶材获得所需要的成分配比，而且薄膜中合金元素分布均匀；同时，热处理能有效缓解薄膜中的应力应变，且热处理的温度较低，耗能小，整体工艺简单，制备过程参数稳定，对设备要求较低，可重复性好。

技术领域

本发明涉及Si-M复合薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种具有优异循环稳定性的Si_1-xM_x复合薄膜负极的制备方法。

背景技术

锂离子电池技术在可移动电子设备、电动汽车和能源储存等方面得到越来越多的应用。传统石墨(372mAh/g)电极由于比容量偏低，越来越难以满足对高性能锂离子电池的能量密度要求。Si由于具有最大质量比容量(4200mAh/g)、在地壳中含量高、绿色环保等特点，因而被认为是最有潜力的新一代负极材料。但由于Si在充放电过程中具有不良的导电性和极大的体积变化，使其在循环过程中易出现巨大的应力应变而使电极材料发生开裂和粉化。因而纯Si材料的循环稳定性很差，这严重阻碍了其作为锂离子电池负极材料的实际应用。

磁控溅射制备的Si薄膜材料具有锂离子扩散路径短、薄膜厚度均匀、结合力强的特点，能有效缓解在循环过程中的体积膨胀效应，具有比Si颗粒更高的比容量和更稳定的循环寿命。Si-M(M为Ti、Y、V等非活性金属)复合薄膜与纯Si薄膜相比，能一定程度提高薄膜的界面结合力，合金元素能有效提高薄膜导电性，并且起到抑制薄膜在充放电过程中的体积膨胀的作用。目前关于Si-M复合薄膜电极的相关研究报道主要集中在多层膜结构和多靶位共溅射的制备方法、电化学性能和相关机理的研究，而关于Si_1-xM_x(M为Ti、Mo或Cu)合金靶材制备复合薄膜及其热处理的研究则鲜有报道。采用Si靶和M靶多靶位制备的多层膜结构需要频繁转换靶位，而要多靶位共溅射则对磁控溅射设备要求更高，导致溅射工艺的成本较高，而且共溅射工艺参数需要不断摸索且程序复杂，Si与M的原子比很难精确调控为所需的比例。

在已有的文献中，Si-M复合薄膜电极的厚度大多集中在几百个纳米，循环几十次就出现容量的急剧衰减。这种承载量很小而且循环稳定性较差的薄膜，很难满足实际应用的要求。采用Si_1-xM_x合金靶材制备的复合薄膜中Si与M的原子比和靶材相同，对磁控设备要求较低，能精确获得所需要的成分配比，薄膜合金成分非常均匀，在此基础上进行的相应热处理温度较低，热处理可以缓解薄膜中的应力应变，这种方法是一种获得长循环性能Si基薄膜负极的有效手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具有优异循环稳定性的Si_1-xM_x复合薄膜负极的制备方法。该制备方法选用Si_1-xM_x合金靶材作为靶材原料，并结合磁控溅射工艺和热处理工艺，制备得到具有优异循环稳定性的Si_1-xM_x复合薄膜负极。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种具有优异循环稳定性的Si_1-xM_x复合薄膜负极的制备方法，包括如下步骤：