[发明专利]一种硅基叠层负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅基叠层负极材料及其制备方法和应用，属于锂电池负极材料技术领域。本发明所述制备方法包括：采用磁控溅射技术，在衬底上沉积类石墨碳层；先进行纳米Si或SiOx沉积，后进行Li沉积，得到硅基复合材料；进行退火处理得到纳米硅基合金颗粒，对所得纳米硅基合金颗粒进行类石墨碳沉积，得到类石墨碳/硅基合金颗粒层；重复循环沉积和退火操作制得硅基叠层负极材料。本发明采用磁控溅射和退火技术，有效缓解了硅基材料脱嵌锂过程中的体积膨胀，实现纳米硅颗粒细化和预锂，提高了经此制备方法所得材料的首效，精简了负极极片的制备过程。因此，所得硅基叠层负极材料分布均匀、结构稳定，能够用作锂电池负极极片。

技术领域

本发明属于锂电池负极材料技术领域，涉及一种硅基叠层负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着新能源领域对电池能量密度要求的逐渐提高，作为电池能量密度提升最有效的手段——负极材料性能提升受到研究机构、各大厂商的关注。相比于石墨负极，硅材料具有4200mAh/g的容量，氧化亚硅也具有大于2000mAh/g的容量，且来源广泛，但其在脱嵌锂过程中均存在较大的体积膨胀，体积膨胀容易造成负极生成的SEI膜反复生长，从而造成活性锂的损失，进而造成电池容量的下降。

为了解决这一问题，通常对硅基材料进行纳米化以抑制其膨胀，并将纳米材料通过电化学、固相掺杂等方式进行预锂提高其首效。材料预锂过程中一般要使用有毒和危险的化学品，存在一定的危险性，同时会污染环境。预锂材料在后期制浆涂布过程中还存在浆料稳定性差等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基叠层负极材料及其制备方法和应用，解决了硅基负极材料脱嵌锂过程中的体积膨胀及纳米硅基材料制备中小粒径和分散性难以兼顾的问题，同时通过预锂的形式提高了材料首效。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种硅基叠层负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射技术，在衬底上沉积类石墨碳层；

2)在步骤1)所得类石墨碳层上，先进行纳米Si或SiOx(其中0＜x＜2)沉积，后进行Li沉积，得到硅基复合材料；

3)对步骤2)所得硅基复合材料进行退火处理得到纳米硅基合金颗粒(Si/SiOx+Li颗粒)，对所得纳米硅基合金颗粒进行类石墨碳沉积，得到类石墨碳/硅基合金颗粒层；

4)重复步骤2)～步骤3)，得到硅基叠层负极材料。

优选地，步骤1)中，所得类石墨碳层厚度为5～20nm。

优选地，步骤2)中，所得纳米Si或SiOx的沉积厚度为5～10nm。

优选地，步骤2)中，Li的沉积厚度0～2nm。

优选地，步骤2)中，纳米硅基合金颗粒的粒径为5～10nm。

优选地，步骤3)中，所得类石墨碳/硅基合金颗粒层厚度为5～20nm。

优选地，步骤4)中，所得硅基负极叠层材料厚度为500～1500nm。

优选地，步骤1)中，衬底为铜箔。

进一步优选地，铜箔厚度为4～8μm。

优选地，步骤2)中，纳米Si沉积以硅靶为靶源，所述硅靶为P型或N型掺杂靶，采用直流溅射；SiOx沉积以氧化亚硅为靶源，采用中频或者射频溅射进行SiOx沉积。

优选地，步骤2)中，Li沉积以锂靶为靶源，采用直流溅射进行Li沉积。

优选地，步骤3)中，退火处理为脉冲式快速光热退火，退火温度为400～500℃，升温速率为80～100℃/s，退火时间为7～10s。