本發(fā)明屬于化學(xué)電源，尤其涉及一種多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池因具有能量密度高、工作電壓高、循環(huán)壽命長、自放電小及環(huán)境友好等顯著優(yōu)點，已被廣泛用于3c電子產(chǎn)品(computer，consumer?electronic和communication)、儲能設(shè)備、電動汽車及船用領(lǐng)域。鋰離子電池的能量密度約為傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的3～4倍，使其在動力電源領(lǐng)域具有較強的吸引力。而負極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的主要因素之一，可見負極材料在鋰離子電池化學(xué)體系中起著至關(guān)重要的作用，硅基鋰離子電池負極材料為研究較為廣泛的材料之一。

2、硅作為鋰離子電池負極的熱點材料主要由于硅可與鋰形成li4si合金，理論儲鋰比容量高達4200mah/g(超過石墨比容量的10倍)?；硅的嵌鋰電位(0?.5v)略高于石墨，在充電時難以形成“鋰枝晶”；硅與電解液反應(yīng)活性低，不會發(fā)生有機溶劑的共嵌入現(xiàn)象。然而，硅電極在充放電過程中會發(fā)生循環(huán)性能下降和容量衰減，硅與鋰生成li4si合金時，體積膨脹高達320％，巨大的體積變化易導(dǎo)致活性物質(zhì)從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環(huán)性能迅速下降。硅氧復(fù)合材料相對于硅而言體積膨脹較小，循環(huán)性能更好，但是還不能滿足產(chǎn)業(yè)化的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜及其制備方法，以解決現(xiàn)有硅氧復(fù)合薄膜作為負極材料充放電時的體積膨脹，從而導(dǎo)致薄膜從集流體上脫落的問題。

2、本發(fā)明的另目的在于提供一種電極片和電極片的應(yīng)用，以解決現(xiàn)有含硅的電極片存在如因硅本身為一種半導(dǎo)體材料，其自身的導(dǎo)電性較差等電化學(xué)性能不理想的技術(shù)問題。

3、為了實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，本發(fā)明的一方面，提供了一種多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜的制備方法。所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜的制備方法包括如下步驟：

4、將硅靶材在惰性氣體與氧氣的混合氣氛下進行濺射處理，在基體上生長硅氧復(fù)合薄膜，并進行退火，得到硅和氧化硅的復(fù)合薄膜；再用氫氟酸對硅氧復(fù)合薄膜進行刻蝕處理，清潔和烘干之后即得到了多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜。

5、本發(fā)明的另一方面，提供了一種多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜。所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜是由本發(fā)明多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜的制備方法生長形成。

6、本發(fā)明的又一方面，提供了一種電極片。所述電極片包括集流體，在所述集流體表面上還結(jié)合有多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜，所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜是按照本發(fā)明制備方法在所述集流體上生長形成。

7、本發(fā)明的再一方面，提供本發(fā)明電極片的應(yīng)用。所述電極片在制備鋰離子電池或超級電容器中的應(yīng)用。

8、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜是將硅靶材在惰性氣體與氧氣的混合氣氛下進行濺射處理，并進行退火，得到硅和氧化硅的復(fù)合薄膜；再用氫氟酸對硅氧復(fù)合薄膜進行刻蝕處理，清潔和烘干之后形成的。這樣，使得薄膜中的硅氧化合物被氫氟酸刻蝕，從而在硅氧復(fù)合薄膜中形成了更大的比表面積供鋰離子容納，賦予所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜具有界面電阻小的特性。而且將所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜作為負極膜層后，還能吸收硅氧復(fù)合在充放電時產(chǎn)生的體積膨脹，減輕周期性體積變化的應(yīng)力，減少固體電解質(zhì)膜(sei)的產(chǎn)生，保持鋰離子嵌入/脫出過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，采用射頻磁控濺射法生長形成膜層，其條件易控，有效保證生長的多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜化學(xué)性能穩(wěn)定，賦予所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜大倍率性能良好，安全性能良好，效率高，適用于工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)。

9、因此，本發(fā)明多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜界面電阻小，能吸收硅氧復(fù)合在充放電時產(chǎn)生的體積膨脹，減輕周期性體積變化的應(yīng)力，減少固體電解質(zhì)膜(sei)的產(chǎn)生，同時保持鋰離子嵌入/脫出過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

10、本發(fā)明電極片由于是利用本發(fā)明制備方法在集流體上生長形成硅氧復(fù)合薄膜，再通過氫氟酸的刻蝕形成多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜。因此，所述電極片內(nèi)阻小，而且所含的多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜能吸收硅氧復(fù)合在充放電時產(chǎn)生的體積膨脹，減輕周期性體積變化的應(yīng)力，減少固體電解質(zhì)膜(sei)的產(chǎn)生，同時保持鋰離子嵌入/脫出過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，所述制備方法工藝簡單，設(shè)備依賴度低，適合工業(yè)化生產(chǎn)，該方法制備的復(fù)合薄膜比容量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

11、由于本發(fā)明電極片具有該些優(yōu)點，含有本發(fā)明電極片的鋰離子電池的鋰離子傳導(dǎo)速率高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和容量保持率高，賦予所述鋰離子電池具有高的首次充放電效率和鋰離子電池或超級電容器循環(huán)性能好，延長了循環(huán)壽命，安全性能較高。含有本發(fā)明電極片的超級電容器內(nèi)阻小，充放電快速，同時儲能性能優(yōu)異。

技術(shù)特征：

1.一種多孔硅氧復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.?如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述腐蝕劑包括氫氟酸、硝酸、鹽酸、王水等材料中的一種或多種；和/或

3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：在所述濺射處理過程中，所述基體的溫度控制為10℃-800℃；

4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的制備方法，其特征在于：所述硅靶材是單晶硅硅片或者硅粉末的壓制靶材。

5.如權(quán)利要求1-3任一項所述的制備方法，其特征在于：所述基體為化學(xué)電源負極集流體。

6.一種多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜，其特征在于：所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜是按照權(quán)利要求1-5任一項所述的制備方法生長形成。

7.一種電極片，包括集流體，其特征在于：在所述集流體表面上還結(jié)合有多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜，所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜是按照權(quán)利要求1-5任一項所述的制備方法在所述集流體上生長形成。

8.?如權(quán)利要求7所述的電極片，其特征在于：所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜的厚度為0.1-?10μm。

9.如權(quán)利要求7或8所述的電極片在鋰離子電池或超級電容器中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜及其制備方法與應(yīng)用。所述多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜的制備方法包括的步驟有：將硅靶材在惰性氣體與氧氣的混合氣氛下進行濺射處理，在基體上生長硅氧復(fù)合薄膜，并進行退火處理，得到硅和氧化硅的復(fù)合薄膜；用腐蝕劑對制備好的復(fù)合薄膜進行刻蝕處理，然后清洗和烘干之后即得到多孔結(jié)構(gòu)硅氧復(fù)合薄膜。本發(fā)明制備的硅氧復(fù)合薄膜有大的比表面積、高的儲能密度、較高的電導(dǎo)率、可以吸收硅氧復(fù)合薄膜在充放電時產(chǎn)生的體積膨脹，減輕周期性體積變化的應(yīng)力，保持鋰離子嵌入/脫出過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保持高的可逆容量，比容量高。另外，所述制備方法工藝簡單，設(shè)備依賴度低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉家輝
受保護的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19