离子辐照硅基薄膜作为大容量高功率锂离子电池负极材料研究

致力于解决硅薄膜在嵌锂－脱锂时的体积膨胀问题和提高薄膜的电导率、制备出性能优异的锂离子电池，提出了研究用离子辐照膜厚大于2微米的Si基薄膜作为负极材料。Si基薄膜用甚高频等离子体CVD生长在金属衬底上，重离子辐照实验在兰州重离子加速器的辐照装置上开展。以离子辐照后的Si基薄膜作为负极材料组装出锂离子电池，对电池的比容量和大电流充放电循环稳定性做全面的评价。通过系统研究离子辐照效应，优化Si基薄膜的生长条件以及辐照离子的能量和剂量等，调控Si基薄膜中纳米晶粒、纳米空洞的大小和分布，调控生长原位掺杂或辐照注入掺杂的浓度和分布，深入研究Si基薄膜的结构对电池性能的影响，有望制备出大容量、高功率、长寿命（在5 A/g的充放电电流下循环200次后，比容量高于2000 mAh/g）的锂离子电池，为发挥大科学装置的综合平台效能和Si基薄膜锂离子电池的研发提供可靠的基础实验数据和有价值的技术方案。

本项目以制备出性能优异的锂离子电池硅阳极为目标，重点研究了用离子辐照改性和掺杂工艺解决Si薄膜在嵌锂/脱锂时的体积膨胀和电导率较低的问题。离子辐照实验是在兰州重离子加速器国家实验室的大科学装置重离子加速器上进行的。所开展的主要工作及所获得的主要成果有：（1）用甚高频等离子体CVD技术在多种金属基底上制备出P掺杂非晶Si薄膜、微晶Si薄膜及其复合薄膜，得到了制备工艺条件对薄膜微结构的影响规律和最优化的工艺参数，证实了掺杂薄膜比非掺杂薄膜电极具有更优越的电化学特性。在纳米化集流体上保角生长出Si基薄膜。（2）实验发现，用电子束蒸发技术制备的Si薄膜具有更低的质量密度，更有利于锂离子的储存。证实了经过离子辐照改性后，电子束蒸发技术制备的Si薄膜具有更为优异的电池电极特性。（3）对具有不同厚度的Si薄膜，用不同能量和剂量的重离子束进行了辐照改性，发现薄膜以非晶结构为主的特征并未改变，但不同的离子束辐照对薄膜的微结构产生不同的影响。大量纳米尺寸的小孔和结晶在薄膜中形成，有利于薄膜作为电极时锂离子在其中的扩散、嵌入和脱嵌，并为嵌锂所造成的体积膨胀提供了缓冲空间。电子辐照形成了纳米晶粒/非晶Si复合薄膜。（4）发现离子辐照有效提高了Si薄膜电极的电化学性能，不但比容量有所提高，而且充放电循环稳定性得到显著改善，在大电流下依然具有良好的电化学特性。薄膜愈厚，离子辐照对其充放电循环稳定性的改善愈明显。项目探索了一条有利于抑制嵌锂/脱锂过程中Si基薄膜粉化、提高Si基薄膜电极电化学特性的技术路线。. 项目还对纳米结构Si基材料、金属氧化物及其复合材料作为锂离子电池电极等相关内容开展了研究。