[发明专利]一种用于锂电池的初晶态纳米硅负极材料的制备方法

说明书

本发明提供一种用于锂电池的初晶态纳米硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：选取导电薄膜材料，按照使用的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备的载具尺寸进行裁切作为衬底材料；对衬底进行氢等离子轰击清洗；通入氢气、硅烷等工艺气体，设置合适的沉积工艺条件，在铜箔衬底上沉积制备200～1000nm厚度的初晶态纳米硅负极材料。本发明提供的用于锂电池的初晶态纳米硅负极材料及其制备方法，采用光伏行业普遍采用的PECVD设备，制备的初晶态纳米硅材料的厚度均匀性以及与衬底的附着性良好，作为锂电池的负极材料，与传统的石墨负极材料比较，可以大幅度提高锂电负极的质量比容量等电性能指标。

技术领域

本发明涉及材料工程技术领域，特别涉及利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备可用于锂电池负极的初晶态纳米硅材料的方法。

背景技术

目前商业上常用的锂离子电池负极材料为各种形态的石墨，理论容量为372mAh/g，为金属锂理论放电容量的1/10。石墨的主要优点是锂的嵌入和脱出可逆性好，循环性能优良，能够满足很多实际应用需要。但缺点是容量密度过小，满足不了锂离子电池大容量存储、大电流或大功率放电的发展要求。除了碳元素外，很多单质如：Sn、Sb、Si等，可与锂化合形成合金以作为锂离子电池的负极材料。其中Si无论是质量比容量还是体积比容量都非常高，质量比容量达到了4200mAh/g，是碳元素的尽10倍。同时Si具有接近于碳材料的吸锂电位，因此成为了下一代锂离子电池负极材料的一个主要研究方向。

传统的硅基薄膜材料可以分为晶体硅薄膜和非晶硅薄膜两大类。晶体硅由于其结构的周期性有序排列，其作为锂电池负极时，随着锂离子的嵌入和脱出，硅基体的体积变化很大。硅在嵌入锂的前后体积变化达到300％(放电指锂的嵌入，导致硅体积膨胀；充电指锂的脱出，导致硅基体的收缩)。巨大的体积变化导致了电极失去接触，增加了电化学阻抗。因此，提高硅作为负极材料循环性能的关键，是要克服锂嵌入和脱出后体积剧变对电极本身带来的应力冲击。非晶硅薄膜不像晶体材料那样具有长程序其具有短程有序性，局部小尺寸的硅原子晶格排列就构成了微小的晶粒。非晶硅材料自带的结构缺陷，包括：悬挂键、弱键、空位和微孔，给体积膨胀及应力释放提供了一定的自由度。

当非晶硅材料中的微小晶粒的尺寸在纳米尺度时，该材料被称为初晶态纳米硅材料。初晶态纳米硅材料作为锂电池负极，兼具晶体硅材料与非晶硅材料的优势，其纳米尺寸晶粒保证了该材料具有较高的可逆容量特性；同时由于其内部的结构缺陷，使其可以较晶体硅材料可以承受更大的体积变化冲击，整体应力较为平衡，具有更持久的循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂电池的初晶态纳米硅负极材料的制备方法，以提高锂电负极材料的质量比容量等电性能。

为了解决传统石墨负极材料比容量不足的问题，本发明的技术方案是：提供一种用于锂电池的初晶态纳米硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、选取导电薄膜材料并按设备载具尺寸进行裁切；步骤2、将衬底材料与PECVD设备载具固定并装入设备抽气；步骤3、通入氢气并用产生的等离子体对衬底表面进行轰击清洗；步骤4、按照比例通入氢气、硅烷等工艺气体并保持设定压力稳定；步骤5、按照设定的温度、射频功率等工艺参数沉积初晶态纳米硅材料。

进一步地，在步骤1中导电薄膜材料可以是铜箔、铝箔等金属材料，也可以是导电复合材料。

进一步地，在步骤2中采用的以等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备，具有沉积速度快、工艺温度低等特点，衬底材料与设备载具的固定方法可以采用机械式的周边压板固定，也可以采用贴附固定。

进一步地，在步骤3中采用氢等离子体对衬底的轰击清洗，工艺参数包括：RF频率13.56MHz，射频功率20～50W，氢气压力50～100Pa，衬底温度100～200℃，离子清洗时间1～5分钟。