Li-Si-N纳米复合薄膜及其制备方法、负极结构及锂电池技术

本发明专利技术公开一种Li‑Si‑N纳米复合薄膜及其制备方法、以及以该Li‑Si‑N纳米复合薄膜为负极的锂电池。所述Li‑Si‑N纳米复合薄膜的结构包括氮化锂固态电解质和作为活性材料的锂硅合金纳米颗粒。本发明专利技术的技术方案能够有效抑制现有硅负极材料的体积膨胀效应，并且提高锂离子在负极中的电导率。

Li-si-n nanocomposite film and its preparation method, negative electrode structure and lithium battery

The invention discloses a Li \u2011 Si \u2011 n nanocomposite film and a preparation method thereof, and a lithium battery taking the Li \u2011 Si \u2011 n nanocomposite film as a negative electrode. The structure of the Li \u2011 Si \u2011 n nanocomposite film comprises a lithium nitride solid electrolyte and a lithium silicon alloy nano particle as an active material. The technical scheme of the invention can effectively inhibit the volume expansion effect of the existing silicon negative electrode material, and improve the conductivity of lithium ion in the negative electrode.

【技术实现步骤摘要】
Li-Si-N纳米复合薄膜及其制备方法、负极结构及锂电池
本专利技术涉及锂电池
，特别涉及一种Li-Si-N纳米复合薄膜及其制备方法、负极结构及锂电池。
技术介绍
锂电池因具有高电压、高比能量、长循环寿命等优点，已经广泛应用于各种电子产品和电动汽车领域。目前，锂电池的负极材料主要以碳基材料为主，为提高能量密度，硅基材料正在逐步引入负极结构中，但硅基材料面临较大的体积膨胀效应、硅表面固态电解质界面膜形成导致的锂缺失以及较低的锂离子电导率等诸多问题。锂硅合金可以提供锂源，不需要额外的补锂工艺过程，但仍需要解决体积膨胀和较低锂离子电导率的问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种Li-Si-N纳米复合薄膜及其制备方法、负极结构及锂电池，旨在能够抑制现有硅基负极材料的体积膨胀效应，提高锂离子的电导率。为实现上述目的，本专利技术提出的Li-Si-N纳米复合薄膜，其结构包括氮化锂固态电解质和锂硅合金纳米颗粒。可选地，所述Li-Si-N纳米复合薄膜材料的化学式为(LixSi1-x)1-y-(Li3N)y，其中，x取值范围为0-0.82；y的取值范围为0.001-0.9。可选地，x取值范围为0.1-0.82，y的取值范围为0.001-0.1。可选地，所述Li-Si-N纳米复合薄膜的厚度范围为0.1μm-100μm；和/或，所述锂硅合金纳米颗粒沿膜面方向的直径范围为1nm-10000nm。本专利技术还提出了一种Li-Si-N纳米复合薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供一洁净的基底，所述基底为金属基底；采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜。可选地，在“采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜”步骤中，包括：以锂硅合金靶为溅射靶材，于氩气和氮气的氛围下，在基底的表面沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜；或者，在“采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜”步骤中，包括：以锂硅氮复合合金靶为溅射靶材，于氩气的氛围下，在基底的表面沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜；或者，在“采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜”步骤中，包括：以锂硅氮复合合金靶为溅射靶材，于氩气和氮气的氛围下，在基底的表面沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜。可选地，在“采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜”步骤之前，还包括：采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积形成附着层，以改善Li-Si-N纳米复合薄膜与基底的结合。可选地，所述真空溅射镀膜方法选用直流磁控溅射方法；和/或，所述基底选用铜箔。本专利技术还提出了一种负极结构，所述负极结构包括基底、Li-Si-N纳米复合薄膜以及保护层，所述Li-Si-N纳米复合薄膜沉积在所述基底的表面，所述保护层沉积在所述Li-Si-N纳米复合薄膜背向所述基底的表面，所述Li-Si-N纳米复合薄膜包括氮化锂固态电解质和锂硅合金纳米颗粒。本专利技术还提出了锂电池，锂电池包括负极结构，所述负极结构包括基底、Li-Si-N纳米复合薄膜以及保护层，所述Li-Si-N纳米复合薄膜沉积在所述基底的表面，所述保护层沉积在所述Li-Si-N纳米复合薄膜背向所述基底的表面，所述Li-Si-N纳米复合薄膜包括氮化锂固态电解质和锂硅合金纳米颗粒。本专利技术的技术方案至少能够取得以下有益效果：本专利技术的Li-Si-N纳米复合薄膜中，氮化锂固态电解质作为一种优良的固态电解质，可以明显地改善复合薄膜层的锂离子电导率，锂离子电导率室温下可达到2×10-4Ω-1cm-1，从而改善锂硅负极材料的倍率性能。锂硅合金纳米颗粒作为负极材料的活性成分，能够显著增加锂硅相的表面积，有效降低锂离子传输过程的界面电阻；同时还可以有效抑制电池放电过程中硅负极通常有的体积膨胀问题，显著改性电池的循环特性。此外，本专利技术的Li-Si-N纳米复合薄膜中，锂硅合金相与氮化锂相形成了稳定的界面，不再消耗锂源形成固态电解质界面膜层，因此不需要额外补充锂，大大简化了电池的组装工艺流程。本专利技术Li-Si-N纳米复合薄膜中锂硅合金颗粒的纳米化和氮化锂电解质的存在，有利于充电电流的均匀分布，从而从根本上抑制负极锂枝晶的生长。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。本专利技术提出一种Li-Si-N纳米复合薄膜，可应用于锂电池的负极材料。本专利技术的Li-Si-N纳米复合薄膜的结构包括氮化锂固态电解质和锂硅合金纳米颗粒。本专利技术的Li-Si-N纳米复合薄膜中，氮化锂固态电解质作为一种优良的固态电解质，可以明显地改善复合薄膜层的锂离子电导率率，锂离子电导率室温下可达到2×10-4Ω-1cm-1，从而改善锂硅负极材料的倍率性能。锂硅合金纳米颗粒作为负极材料的活性成分，能够显著增加锂硅相的表面积，有效降低锂离子传输过程的界面电阻；同时还可以有效抑制电池放电过程中硅负极通常有的体积膨胀问题，显著改性电池的循环特性。此外，本专利技术的Li-Si-N纳米复合薄膜中，锂硅合金相与氮化锂相形成了稳定的界面，不再消耗锂源形成固态电解质界面膜层，因此不需要额外补充锂，大大简化了电池的组装工艺流程。本专利技术Li-Si-N纳米复合薄膜中锂硅合金颗粒的纳米化和氮化锂电解质的存在，有利于充电电流的均匀分布，从而从根本上抑制负极锂枝晶的生长。需要说明的是，这里氮硅合金纳米颗粒可以是非晶相或者结晶相，氮化锂固态电解质也可以是非晶相或者结晶相。可选地，Li-Si-N纳米复合薄膜材料的化学式为(LixSi1-x)1-y-(Li3N)y，其中，x取值范围为0-0.82；y的取值范围为0.001-0.9。这里x、y表示原子数，可以取范围值的任意个数值。可以理解的，Li-Si-N纳米复合薄膜中化学成分是可以变化的，即其中的锂、硅、氮元素的含量是可以变化的，也即是，Li-Si-N纳米复合薄膜中氮化锂和锂硅合金的含量是发生变化的。优选地，x取值范围为0.1-0.82；y的取值范围为0.001-0.1。可选地，Li-Si-N纳米复合薄膜的厚度范围为0.1μm-100μm。Li-Si-N纳米复合薄膜的厚度值可以取其中的一个，比如0.1μm、10μm、50μm、或者100μm。优选地，Li-Si-N纳米复合薄膜的厚度范围为1μm-10μm。可选地，锂硅合金纳米颗粒沿膜面方向的直径范围为1nm-10000nm。可以理解的是，锂硅合金纳米颗粒和氮化锂形成一种复合薄膜，这里锂硅合金颗粒为纳米颗粒，其沿膜面方向的直径值可选为1nm-10000nm范围的一个数值，比如可选为1nm、10nm、100nm、1000nm、或10000nm。优选地，锂硅合金纳米颗粒沿膜面方向的直径范围为10nm-100nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Li‑Si‑N纳米复合薄膜，其特征在于，所述Li‑Si‑N纳米复合薄膜的结构包括氮化锂固态电解质和作为活性材料的锂硅合金纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种Li-Si-N纳米复合薄膜，其特征在于，所述Li-Si-N纳米复合薄膜的结构包括氮化锂固态电解质和作为活性材料的锂硅合金纳米颗粒。2.如权利要求1所述的Li-Si-N纳米复合薄膜，其特征在于，所述Li-Si-N纳米复合薄膜材料的化学式为(LixSi1-x)1-y-(Li3N)y，其中，x取值范围为0-0.82；y的取值范围为0.001-0.9。3.如权利要求2所述的Li-Si-N纳米复合薄膜，其特征在于，x取值范围为0.1-0.82，y的取值范围为0.001-0.1。4.如权利要求1所述的Li-Si-N纳米复合薄膜，其特征在于，所述Li-Si-N纳米复合薄膜的厚度范围为0.1μm-100μm；和/或，所述锂硅合金纳米颗粒沿膜面方向的直径范围为1nm-10000nm。5.一种权利要求1至4中任一项所述的Li-Si-N纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：提供一洁净的基底，所述基底为金属基底；采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜。6.如权利要求5所述的Li-Si-N纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，在“采用真空溅射镀膜方法在洁净的基底表面溅射沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜”步骤中，包括：以锂硅合金靶为溅射靶材，于氩气和氮气的氛围下，在基底的表面沉积得到Li-Si-N纳米复合薄膜；或者，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振刚，范云伟，
申请(专利权)人：张振刚，
类型：发明
国别省市：广东,44