锂离子电池硅及硅/碳负极薄膜制备及电化学性能研究

【摘要】：近年来，随着微电子器件小型化的发展，迫切需要有相应尺寸的微型供能系统与之相适应，电源系统的微型化是微电机械系统得以进一步广泛应用的关键技术之一。锂离子电池由于其优异的储能特性与循环性能成为能源系统微型化的热点方向之一，目前学术界对于可替代低化学反应活性的非锂负极膜材料的研究与开发异常活跃。 硅因具有最高的理论嵌锂容量(4200mAh／g)而受到人们的关注，但硅作为负极材料在嵌锂过程中因大的体积膨胀而导致循环性能很差。通过缩小硅材料的尺寸将其纳米、薄膜化使硅电极材料拥有高容量的保持力、稳定的微观结构及良好的电子接触；同时与体积变化率小并且具有优良离子和电子导电性的碳复合，希望提高硅的导电性能。 本文采用离子束溅射沉积的方法以铜箔为集流体制备硅和硅碳复合薄膜，并对其组织结构和电化学性能进行研究。结果表明溅射沉积得到的薄膜表面呈现胞状形态，胞体尺寸为微米量级，表面形态与Cu集流体的表面粗糙度密切相关。XRD分析表明硅及硅碳复合薄膜结构为无定型态，通过控制溅射束流及溅射时间制备不同厚度的硅及硅碳复合薄膜，仍然为无定型态。电化学测试表明制备的硅薄膜电极具有优良的循环性能。制备硅薄膜采用的束流强度大、溅射时间较长的硅膜嵌锂容量高，循环性能好。认为主要是由于沉积速率增加造成薄膜短程有序度降低所致。实验中在充放电电流密度6.5μAcm~(-2)下最佳的硅负极比容量稳定在580mAh／g，首次充放电效率为80％，第二次循环后库仑效率保持在98％；在充放电电流密度提高10倍时充放电效率仅下降2％；在循环后硅膜电极表面观察到微裂纹，但并未脱落，保持稳定的电子接触是硅膜电极保持稳定电化学循环的主要因素；在硅膜基础上，制备的硅碳复合膜稳定性能较纯硅薄膜降低，主要原因是循环过程中碳膜被撕裂，造成复合薄膜结构的破坏。