本发明专利技术公开了一种高容量硅基锂离子电池负极复合膜及其制备方法，包括沉积于基片上的镍钛层和沉积于镍钛层之上的硅层，所述镍钛层与硅层的厚度之比为0.8～5∶1，镍钛层中镍的原子数百分比为49.5～51.5％，其余为钛。通过磁控溅射沉积实现复合膜的制备。本发明专利技术的复合膜能够完全发挥硅电极材料的电性能，防止硅电极材料在充放电过程中发生破坏脱落，极大的提高了此类高能量密度锂离子电池的寿命。将本发明专利技术的复合膜与纯锂组装成双电极硬币型电池并测试了电容量，在100次循环之后，其电容量仍然保持在至少1100mHA/g，显示了超弹镍钛与硅叠层复合膜电极优异的电容量和良好的循环性能。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括沉积于基片上的镍钛层和沉积于镍钛层之上的硅层，所述镍钛层与硅层的厚度之比为0.8～5∶1，镍钛层中镍的原子数百分比为49.5～51.5％，其余为钛。通过磁控溅射沉积实现复合膜的制备。本专利技术的复合膜能够完全发挥硅电极材料的电性能，防止硅电极材料在充放电过程中发生破坏脱落，极大的提高了此类高能量密度锂离子电池的寿命。将本专利技术的复合膜与纯锂组装成双电极硬币型电池并测试了电容量，在100次循环之后，其电容量仍然保持在至少1100mHA/g，显示了超弹镍钛与硅叠层复合膜电极优异的电容量和良好的循环性能。【专利说明】
本专利技术涉及一种锂离子电池负电极复合膜，尤其涉及的是。
技术介绍
可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，具有能量密度大、平均输出电压高、自放电小、寿命长、无记忆效应、绿色环保等优点。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时(即电池使用时)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。 当前实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。但碳类负极材料充放电比容量较低，容量仅为300?500mAh/g，无法满足实际的使用需求。大量的研宄工作聚焦在寻找高能量密度的新型负极材料体系，比如:锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物、纳米级负极材料和钛酸盐材料。硅是极为理想的一种候选材料，不仅具有极好的理论容量，达到约4200mAh/g，同时价格也极为低廉，足以满足工业化大规模生产的需求。然而，硅作为锂离子电池负极材料仍然有很多的局限，其中最主要的问题在于:硅在充放电循环过程中存在巨大的体积膨胀/收缩率，约为300 %，这使得电极材料硅与集电体界面承受巨大应力，并会导致硅与集电体界面破坏脱落，或者使硅电极粉末化，整个负电极体系也收到严重破坏。 研宄人员围绕硅基电极材料进行了大量的研宄。比如开发硅纳米管、利用无序碳包覆或者添加各种有机溶剂，但一方面制备成本过高，又或者电极系统的首次库仑效率和循环性能离实际应用仍还很遥远。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了，可以缓冲充放电过程中硅的膨胀和收缩带来的巨大应力。 本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括沉积于基片上的镍钛层和沉积于镍钛层之上的硅层，所述镍钛层与硅层的厚度之比为0.8?5: 1，镍钛层中镍的原子数百分比为49.5?51.5%，其余为钛。 所述镲钛层厚度为2?30 μ m，娃层厚度为2?10 μ m。为了保证娃与镲钛层界面结合在充放电过程中不被破坏，根据硅的膨胀/收缩量与超弹合金的可伸缩范围之间的匹配度得出厚度范围，硅层过厚会使得自身的弹性变形能量难以通过超弹的镍钛层来缓冲，导致失效破坏。 一种高容量硅基锂离子电池负极复合膜的制备方法，包括以下步骤: (I)基片预处理 丙酮擦拭基片并干燥，然后将基片安装在真空室的基片架上； (2)镍钛合金靶材和硅靶材预处理 靶材表面打磨光滑后，依次将靶材放入煤油、丙酮和酒精中清洗后干燥靶材，然后将镍钛合金靶材和硅靶材分别安装在独立的射频阴极上； (3)真空室预处理 对磁控溅射腔室抽真空，真空室内背底真空小于5 X KT4Pa后通入氩气； (4)沉积镍钛层 射频功率为100?200W，溅射气压0.3?0.9Pa，溅射时间在20?60分钟，获得2?30 μ m的镍钛层； (5)沉积硅层 射频功率为120?250W，溅射气压0.3?0.9Pa，溅射时间在30?120分钟，获得2?10 μ m的娃层。 作为本专利技术的有效方式之一，所述靶材在磁控溅射腔室中的靶基距为50mm。 作为本专利技术的有效方式之一，所述氩气纯度为99.999%。 磁控溅射过程中钛的溅射率要显著高于镍，因此镍钛合金靶材的成分控制非常重要，否则不能满足镍钛层的原子数百分比。 所述镍钛合金靶材的制备方法如下: (101)组份确定 单质镍的原子数百分比为25%?45%，其余为单质钛； (102)熔炼 通过真空感应熔炼对单质镍和单质钛进行熔炼，熔炼炉体先抽真空至2X 10_3Pa，然后充入氩气至-0.3Mpa，随后进行熔炼，熔炼温度为1300°C ； (103)退火处理 获得铸锭在950°C进行12小时的真空均匀化退火； (104)冷轧处理 对退火后的铸锭进行冷轧处理，得到镍钛合金靶材。 作为本专利技术的有效方式之一，所述单质镍、单质钛的纯度至少为99.9wt%。 本专利技术采用具有超弹力学性能的镍钛合金替代传统的铜集电体，这种超弹性的镍钛合金可以缓冲充放电过程中硅的膨胀和收缩带来的巨大应力。通过磁控溅射技术制备这种超弹性集电体材料与硅的叠层复合体，可以作为具有高能量密度、高循环寿命的新型锂尚子负电极材料。 通过磁控溅射技术并调整和控制各项技术参数，可以制备厚度合适、结合力强、成分精确的硅/钛镍叠层复合膜，其中钛镍一方面起到集电体的作用，同时具有极高的超弹性可以缓冲硅电极在充/放电过程中巨大的体积变化。 本专利技术相比现有技术具有以下优点:本专利技术的复合膜能够完全发挥硅电极材料的电性能，防止硅电极材料在充放电过程中发生破坏脱落，极大的提高了此类高能量密度锂离子电池的寿命。将本专利技术的复合膜与纯锂组装成双电极硬币型电池并测试了电容量，，在100次循环之后，其电容量仍然保持在至少1100mHA/g，显示了超弹镍钛与硅叠层复合膜电极优异的电容量和良好的循环性能。 【专利附图】【附图说明】 图1是实施例1制得复合膜的表面形貌图； 图2是图1的截面示意图； 图3是复合膜的成分分布图； 图4是实施例1制得复合膜的充放电循环电性能示意图； 图5是实施例2制得复合膜的充放电循环电性能示意图； 图6是实施例3制得复合膜的充放电循环电性能示意图。 【具体实施方式】 下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。 实施例1 本实施例的镍钛合金靶材成分为镍的原子数百分比为37%，其余为钛。选用99.9wt%纯度以上的单质镲、单质钛原材料，按照目标成分配料。 通过真空感应熔炼进行熔炼，熔炼炉体先将真空抽至真空度为2 X 10?,然后充入氩气至-0.3Mpa，随后进行熔炼，熔炼温度为1300°C ;获得铸锭在950°C进行12小时的真空均匀化退火；对退火后的铸锭进行冷轧处理，得到板材。 将板材进行线切割和机械抛光处理，获得直径为75mm，厚度为4mm的圆形镍钛合金板材，作为磁控溅射靶材使用。 娃革E材可以直接购买商业革E材，选用娃革E材的尺寸为直径75mm，厚度为6mm。 镍钛层和硅层的溅射工艺如下: 丙酮擦拭基片并干燥，然后将基片安装在真空室的基片架上；用砂纸将靶材表面打磨光滑，对靶材进行煤油清洗，再将靶材置于丙酮中进行超声波本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高容量硅基锂离子电池负极复合膜，其特征在于，包括沉积于基片上的镍钛层和沉积于镍钛层之上的硅层，所述镍钛层与硅层的厚度之比为0.8～5∶1，镍钛层中镍的原子数百分比为49.5～51.5％，其余为钛。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：占静玲，
申请(专利权)人：南京九致信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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