硅粉末及铜硅混合粉末冷喷涂基板时沉积特性的实验研究

摘要

硅材料因其具有目前已知的最高的理论比容量（4200mAh/g）和较高的嵌锂电位（0.2V）,有望成为替代石墨的新型锂离子电池负极材料。然而，硅负极在充放电过程中会出现剧烈的体积效应（300％），会造成硅颗粒破碎粉化，使得硅负极与集流体之间失去电接触，从而导致电池失去活性。并且硅本身电导率不高，倍率性能不佳，这会严重影响硅材料作为锂离子电池负极材料的应用。提高锂离子电池中荷电保持的能力成了锂离子电池研究中需要突破的关键性问题。利用新型粘结剂，正极材料等也可提高电池循环性能，但出于大规模应用来考虑，制备具有纳米结构的硅基复合材料具有最大的发展潜力。目前大多数实验室研究制备硅基复合材料的方法成本昂贵，制作复杂，因此，发展一种简单的，低成本，均匀的将纳米结构硅基材料与集流体结合的方法，是开发新型硅基电极的重点工作。冷喷涂方法即是这样一种简便，经济的硅基负极电池制备的方法。
　　07年日本学者曾尝试过用低压冷喷涂的方法制备硅基负极材料，表现出了很好的循环性能,但缺少对于制备过程中涂层形成的机理的研究。本论文主要通过实验方法来探究冷喷涂制备硅基负极材料过程中的沉积特性，为冷喷涂制备锂离子硅基负极电池提供理论参考。首先用自制的高压冷喷涂设备将硅或铜硅混合粉末在不同的气体参数、喷涂道次（喷涂了几道次即是指反复喷涂了几次）、颗粒粒径、基板材质时喷涂在基板上，然后通过后处理得到涂层断面，再利用扫描电镜观察涂层表面和断面形貌特征，用电镜自带的能谱分析仪和X射线衍射仪对涂层结构进行分析，提出了影响涂层结构的主要因素。
　　研究结果表明，硅颗粒在喷涂基板时会发生破碎，并且会将铜基板上的铜冲蚀或者挤压至表面，后续的硅粒子会压实挤压出来的铜使其包覆在硅颗粒上。在硅粒子粒径适当时，为了得到硅嵌入深度更深的涂层可以通过增大硅粒子粒径实现。硅粉喷铜涂时增加喷涂道次不会增加涂层厚度，想要增加涂层厚度可通过利用硅铜混合粉末喷涂来实现。在有铜粉末参与的喷涂中温度过高会使得涂层氧化严重，对定点持续喷涂时硅的分布为底部两侧的硅含量会明显偏高。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 硅基材料的制备

1.4 锂离子电池商业化生产流程

1.5 冷喷涂技术简介

1.6 主要研究内容

2 涂层制备及分析方法

2.1 实验材料及设备

2.2 粉末混合装置

2.3 涂层制备过程

2.4 涂层分析方法

3 纯硅粉末喷涂涂层

3.1 引言

3.2 陶瓷粉末喷涂研究现状

3.3 实验粉末及工况参数

3.4 冲蚀现象

3.5 涂层结构

3.6 探究单颗硅粒子沉积于基板的现象

3.7 涂层中硅铜结合面的观察

3.8 本章小结

4 铜硅混合粉末喷涂

4.1 引言

4.2 混合粉末的制备

4.3 气体参数

4.4 混合粉末的沉积特性

4.5 混合比例

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

致谢

参考文献