锂离子电池SiOx薄膜负极制备与性能研究

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锂离子电池硅负极材料虽然具有理论比容量高且储量丰富的特点,但却有着两个十分致命的缺点即巨大的体积膨胀效应(约300%)以及低的电导率。而薄膜材料由于其纳米特性,硅负极材料的体积膨胀效应可以得到有效缓解,因此具有十分广泛的研究前景。其中SiOx薄膜负极相比于普通的Si薄膜负极具有更小的体积膨胀效应和更优异的电化学性能。本文利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备了不同厚度与不同氧含量的SiOx薄膜,详细研究了氧含量对SiOx薄膜电化学性能的影响。并在此基础上,继续对SiOx薄膜进行了不同温度的快速热处理(RTP),探究温度对其电化学性能的影响,全文的研究结果如下:(1)不同厚度的SiO0.61薄膜循环性能有差异,330 nm厚的SiO0.61薄膜循环性能最佳,在0.5 C(1 C=2100 mA g-1)倍率下循环100圈后放电比容量达到873mAh g-1,但更大厚度440 nm和更小厚度228 nm的SiO0.61薄膜的循环性能却会变差。这可能是由于当厚度到达一定程度时,必然导致薄膜整体电子电导率下降和离子电导率的下降,造成电化学性能下降。而当厚度更小时,薄膜在沉积时的累积压缩应力导致活化时活化不均匀不充分,造成极片开裂,容量损失严重。(2)氧含量会对SiOx薄膜的电化学性能造成显著的影响,高氧含量SiOx薄膜在脱嵌锂的时候会生成较多硅酸锂盐,这些硅酸锂盐会充当缓解体积膨胀的物质。因此它的循环性能会更好,可放电比容量却始终维持在一个较低水平,例如330 nm的SiO1.3在循环100圈后容量保持率高达93%;而氧含量较低的SiOx薄膜容量衰减较快,却有着较高首圈库伦效率,如330 nm的SiO0.45首圈放电比容量高达1162 mAh g-1,但在0.5 C倍率下循环100圈后放电比容量只有707 mAh g-1,放电容量衰减率为60.8%。(3)一定的热处理有利于释放薄膜在沉积过程中累积的压缩应力,减少薄膜中的杂质分子,断裂制备过程中附着在薄膜上的悬挂键,提高薄膜的整体机械性能,从而使薄膜的循环稳定性和倍率性能提升。经过实验以SiO0.61薄膜为基底,对薄膜进行RTP,其中600℃ RTP后的薄膜,在0.5 C电流密度下循环100圈后放电比容量高达1107 mAh g-1,比未经热处理的SiO0.61高出了352 mAh g-1,证明一定的RTP对提升SiOx薄膜电化学性能十分有利。
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