一种复合涂层包覆的硅基材料其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种复合涂层包覆的硅基负极材料其制备方法，属于复材料领域及电化学领域。该方法首先采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在电极材料表面沉积SiOx/SiC保护层，随后采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层。本发明专利技术提供的制备方法解决了传统硅基负极电极粉末本征电导率低，在充放电过程中的体积膨胀严重，稳定性差的问题，所制备的复合涂层包覆的硅基负极材料在制备成锂离子半电池后，在500 mA g

【技术实现步骤摘要】
一种复合涂层包覆的硅基材料其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种复合涂层包覆的硅基复合材料及其制备方法，主要用于锂离子电池负极材料，属于复材料领域及电化学领域。

技术介绍

[0002]近年来，随着气候恶化和能源短缺，绿色可再生能源替代化石燃料的发展受到广泛关注。二次电池作为一种高效、清洁和可持续的能源，被认为是改善上述问题极有前途的技术之一。其中，锂离子电池因其能量密度高、无记忆效应、环境友好性等优点而被广泛应用于各种电子设备中。
[0003]负极材料被认为是影响锂离子电池性能的关键部件。目前，商用石墨负极材料受限于理论比容量（372 mA h g
‑
1），已无法满足电动汽车市场对长续航能力的需求，亟需发展新型锂离子电池负极材料。
[0004]硅具有高达4200 mA h g
‑
1的理论比容量，极丰富的自然界储备和环境友好等优势，被认为是最有前途的负极材料之一。然而，硅基负极材料仍存在许多问题，如本征电导率低；在充放电过程中体积膨胀/收缩大，易形成裂纹，随后电极活性物质粉碎并造成不可逆的容量损失。上述问题严重阻碍了硅基负极材料的商业化。
[0005]针对上述问题，CN115224257A公开了一种快离子复合体包覆硅基复合材料及其制备方法和应用；CN114132914A公开了一种二氧化钛
‑
碳双层包覆硅基复合材料及其制备和应用。但上述方案制得的硅基负极材料表面薄膜包覆作用力都较弱，不足以形成牢固、均匀的包覆层，制备工艺较复杂，成本高且可控性差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术制备的硅基负极表面包覆层不牢固及制备过程复杂、成本高且可控性差等的问题，提供一种复合涂层包覆的硅基负极材料及其制备方法，作为锂离子电池负极材料能够有效抑制硅基材料在充放电过程中的体积膨胀，且材料的导电性得到提升。
[0007]本专利技术复合涂层包覆的硅基材料的制备方法，是首先采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在纳米硅粉表面沉积SiOx/SiC保护层，随后采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层。具体制备工艺包括如下步骤：（1）将硅粉真空干燥后放入磁控溅射装置真空镀膜室的旋转工架上，调整靶间距并抽真空至10
‑
4 Pa，开启旋转工架和石墨靶，并使承载硅粉的旋转工架与石墨靶为反方向均速转动。所述硅粉的粒径在0.1~100um之间。真空干燥是在真空烘箱中，110℃条件下烘干处理120 min，以去除材料表面所吸附的水份和部分可挥发性有机物。
[0008]（2）通入氩气、二氧化碳，调节腔室气压至30 Pa，采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在硅粉表面沉积SiOx/SiC保护层。其中，氩气和二氧化碳气体的气流量比控制在1:2~1:5。所用射频等离子体的电源为13.56MHz射频电源，输出功率300W，工作时间为
8min。
[0009]（3）仅通入氩气，调节腔室气压至1 Pa，采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层，即得复合涂层包覆的硅基负极材料。其中，非平衡磁控溅射电源的占空比为0.6，电流为0.8~4 A，工作时间为10 min。
[0010]复合涂层的厚度可根据应用需要控制在15~110nm。
[0011]所得复合涂层包覆的硅基材料的结构示意图见图1。利用射频等离子体发生器，对二氧化碳气体进行处理，生成碳等离子体和氧等离子体作用于电极硅粉表面，形成Si
‑
C、Si
‑
O化学键，即在电极硅粉表面得到SiOx/SiC保护层（图2）。SiOx/SiC保护层能够有效抑制硅基材料在充放电过程中的体积膨胀，这将有力提升硅基电极材料的结构稳定性。同时，SiOx/SiC层也可以嵌入/脱出锂离子，进行储能，可以提高硅电极材料的储能性能。类石墨碳功能层具有良好的导电性能，能够有效提高硅电极材料的导电性，进而极大地提升材料的电化学性能。
[0012]将所制备的复合涂层包覆的硅基材料制备成锂离子半电池，在二次电解液（1.0M LiPF6 in EC:DEC:EMC=1:1:1 Vol%）中，电流密度500mA g
‑
1时，0.1~1.5V电压区间下，经过90个循环周期，比容量可高达1108.6mA h g
‑
1，显示出良好的循环稳定性。因此，作为锂离子电池负极材料具有广阔的市场应用前景。
[0013]综上所述，本专利技术相对于现有技术具有以下有益效果：1、本专利技术解决了传统硅基负极电极粉末本征电导率低，在充放电过程中的体积膨胀严重，稳定性差的问题；所制备的复合涂层包覆的硅基负极材料在制备成锂离子半电池后，在500 mA g
‑
1的电流密度下进行测试，体积膨胀明显较小，稳定性增加，倍率性能和循环性能有明显的提高；2、本专利技术首先利用射频等离子体增强化学气相沉积的方法，在电极材料表面沉积SiOx/SiC保护层，随后采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层，其制备工艺简单、成本低、污染小。
附图说明
[0014]图1为本专利技术制备复合涂层包覆的硅基材料的结构示意图。
[0015]图2为本专利技术SiOx/SiC保护层形成过程示意图。
具体实施方式
[0016]下面结合具体实例对本专利技术的锂离子电池硅基负极材料的制备和性能进行详细说明。
[0017]实施例1（1）薄膜沉积的实验条件：称取110℃真空烘干的150 g纳米硅粉，置于磁控溅射装置中真空腔室的旋转工架中，调整靶间距并抽真空至10
‑
4 Pa，开启旋转装置使石墨靶与工架反方向匀速转动；（2）SiOx/SiC保护层的制备：通入氩气、二氧化碳（气流量比为1:5），保持腔室工作压力为30 Pa，开启13.56 MHz的射频电源，输出功率300 W，工作时间为8 min；（3）类石墨碳功能层的制备：仅通入氩气，保持腔室工作压力为1 Pa，采用非平衡
磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层：靶电流4A，占空比为0.6，工作时间为10 min，即得复合涂层包覆的硅基负极材料，薄膜厚度110nm；（4）将所制备的硅基负极材料制备成锂离子半电池，在二次电解液（1.0M LiPF6 in EC:DEC:EMC=1:1:1 Vol%）中，电流密度500mA g
‑
1时，0.1~1.5V电压区间下，经过90个循环周期，比容量达1004.2mA h g
‑
1，显示出良好的循环稳定性。
[0018]实施例2（1）薄膜沉积的实验条件：称取110℃真空烘干的150 g纳米硅粉，置于磁控溅射装置中真空腔室的旋转工架中，调整靶间距并抽真空至10
‑
4 Pa，开启旋转装置使石墨靶与工架反方向匀速转动；（2）SiOx/SiC保护层的制备：通入氩气、二氧化碳（气流量比为1:2），保持腔室工作压力为30 Pa，开启13.56 MHz的射频电源，输出功率300W，工作时间为8 min；（3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合涂层包覆的硅基材料的制备方法，是首先采用射频等离子体增强化学气相沉积法在纳米硅粉表面沉积SiOx/SiC保护层，随后采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层。2.如权利要求1所述一种复合涂层包覆的硅基材料的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：（1）将硅粉真空干燥后放入磁控溅射装置真空镀膜室的旋转工架上，调整靶间距并抽真空至10
‑
4 Pa，开启旋转工架和石墨靶；（2）通入氩气、二氧化碳，调节腔室气压至30 Pa，采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法在硅粉表面沉积SiOx/SiC保护层；（3）仅通入氩气，调节腔室气压至1 Pa，采用非平衡磁控溅射的方法沉积类石墨碳功能层，即得复合涂层包覆的硅基负极材料。3.如权利要求1或2所述一种复合涂层包覆的硅基材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述硅粉的粒径在0.1~100um之间。4.如权利要求1所述一种复合涂层包覆的硅基材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，王政德，张俊彦，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：