气体氢化处理对非晶硅薄膜电化学性能的影响

摘要

针对传统水系镍氢电池电化学窗口较窄以及能量密度较低的缺点,基于硅材料优异的储氢性能,采用射频磁控溅射方法和后气体氢化处理分别制备非晶硅(a-Si)和氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜作为镍氢电池负极材料,通过XRD、TEM、XPS、SEM、EDS和电化学测试等方法研究了气体氢化处理前后非晶硅薄膜结构以及其在质子型离子液体中的电化学性能。结果表明,溅射所制备的硅薄膜呈非晶态,溅射后在硅薄膜与镍衬底界面处形成了硅镍化合物相,且溅射时非晶硅薄膜有一定程度的氧化。经气体氢化处理后,非晶硅薄膜中硅与氢形成SiH、SiH2和SiH3三种键合方式,并伴有少量的非晶硅晶化发生,薄膜发生一定程度的剥落,且氧化程度加重。电化学测试分析表明,溅射态非晶硅薄膜电极的放电容量很低(113 mAh·g^(-1)),气体氢化后的非晶硅薄膜电化学性能显著改善,当气体氢化30 min时薄膜电极具有最大的放电容量480 mAh·g^(-1),其充放电20个循环后其容量仍未衰减。