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(zhǎng)、自放電小及環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于3c電子產(chǎn)品(computer，consumer?electronic和communication)、儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)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(dòng)力電源領(lǐng)域具有較強(qiáng)的吸引力。而負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)極的熱點(diǎn)材料主要由于硅可與鋰形成li4si合金，理論儲(chǔ)鋰比容量高達(dá)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(shí)難以形成“鋰枝晶”；硅與電解液反應(yīng)活性低，不會(huì)發(fā)生有機(jī)溶劑的共嵌入現(xiàn)象。然而，硅電極在充放電過程中會(huì)發(fā)生循環(huán)性能下降和容量衰減，硅與鋰生成li4si合金時(shí)，體積膨脹高達(dá)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(duì)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(shí)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(fù)極材料充放電時(shí)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(shí)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(jìn)行濺射處理，在基體上生長(zhǎng)硅氧復(fù)合薄膜，并進(jìn)行退火，得到硅和氧化硅的復(fù)合薄膜；再用氫氟酸對(duì)硅氧復(fù)合薄膜進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)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(jìn)行濺射處理，并進(jìn)行退火，得到硅和氧化硅的復(fù)合薄膜；再用氫氟酸對(duì)硅氧復(fù)合薄膜進(jìn)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(fù)極膜層后，還能吸收硅氧復(fù)合在充放電時(shí)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(zhǎng)形成膜層，其條件易控，有效保證生長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(jiǎn)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(diǎn)，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(jí)電容器循環(huán)性能好，延長(zhǎng)了循環(huán)壽命，安全性能較高。含有本發(fā)明電極片的超級(jí)電容器內(nèi)阻小，充放電快速，同時(shí)儲(chǔ)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(xiàng)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(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：所述基體為化學(xué)電源負(fù)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(xiàng)所述的制備方法生長(zhǎng)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(xiàng)所述的制備方法在所述集流體上生長(zhǎng)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(jí)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(jìn)行濺射處理，在基體上生長(zhǎng)硅氧復(fù)合薄膜，并進(jìn)行退火處理，得到硅和氧化硅的復(fù)合薄膜；用腐蝕劑對(duì)制備好的復(fù)合薄膜進(jìn)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(chǔ)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(shí)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(jiǎn)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(hù)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