离子液体脉冲电沉积Li-Cu合金纳米颗粒薄膜的形成机理、结构与电化学性能的研究

研究离子液体中脉冲电沉积Li-Cu合金纳米颗粒薄膜的形成机理，可发展离子液体电解液中电极电势相差较大的两种金属共沉积的理论，为制备各种新型功能材料奠定理论基础；通过将Li-Cu合金纳米颗粒薄膜用作锂离子电池负极并研究其嵌脱锂机制，明确微结构与电极容量、循环寿命的关系，可为发展高性能锂离子电池提供理论依据。.本课题主要开展离子液体电解液中脉冲电沉积Li-Cu合金的机理研究，建立沉积条件与纳米颗粒层结构的关系，确立纳米尺度可调控的纳米颗粒薄膜的沉积条件，以此薄膜作为锂离子电池的负极，研究纳米颗粒薄膜微结构与电极充放电性能、循环寿命的关系，探讨嵌/脱锂机制。电沉积机理研究主要是采用电化学测试结合电化学现场光谱技术，分析放电金属离子的存在形式及相互作用；通过XRD、SEM、HRSTM等分析表征纳米颗粒薄膜的微结构，结合电化学方法研究其电化学性能和嵌/脱锂机制。

Li与Cu的电极电势相差较大，且锂的电极电势又非常负，因此研究其在离子液体中的共沉积具有广泛的代表性。将Li-Cu合金薄膜用作锂电池负极，可解决制约锂电池发展的关键技术。.通过分析对比、测试及电沉积实验，确定出了适合于Li-Cu合金电沉积的6种离子液体。.分别采用上述离子液体进行研究，发现从[EMIM]TFSI、[HMIM]OTF离子液体中能够得到理想的锂沉积层。但相对来说，[EMIM]TFSI中电沉积锂时，沉积电流密度更大，沉积层更致密。.使用[EMIM]TFSI离子液体为溶剂，研究了恒流、恒压、脉冲条件下电沉积Li-Cu合金，明确了镀液组成及工艺条件对沉积层组成、形貌、结构的影响规律。研究表明，不管是采用恒流电沉积，还是采用恒压电沉积以及脉冲电沉积，均可以得到Li-Cu合金沉积层。但沉积方式不同，沉积层的组成、结构不同。.在[HMIM]OTF离子液体中，研究了添加剂对电沉积Li-Cu合金的影响。研究表明，VC作为添加剂时，可以得到具有二维层状结构的Li-Cu合金沉积层；而BDO、PEG和EDA作为添加剂时，得到了具有块状结构的Li-Cu合金沉积层。具有二维层状结构的Li-Cu合金沉积层结构致密，均匀，决定了其作为Li-Cu/S电池负极具有良好的电化学性能。.在[EMIM]TFSI离子液体中Li-Cu合金的沉积机理研究表明，Li-Cu合金的电沉积过程是Li和Cu的沉积相互影响的过程，Cu对Li有诱导共沉积作用，Cu与Li之间有相互促进共沉积的作用。电沉积Li-Cu合金过程是扩散过程参与控制的不可逆电极过程。.使用电沉积得到的Li-Cu合金为负极，系统研究了其与正极材料LiCoO2、 LiFePO4、Li(NiCoMn)O2的相容性。研究表明，Li-Cu合金/LiFePO4电池循环稳定性较优。Li-Cu合金/LiFePO4电池的容量衰减明显。.采用电沉积得到的Li-Cu合金薄膜作为Li/S电池负极材料的研究表明，均匀致密的Li-Cu合金可以有效地抑制在充放电过程中Li枝晶的产生，从而减少在充放电过程中电池比容量的损失，提升电池的循环性能；经过首次充放电之后，Li-Cu负极表面形成了稳定的SEI膜，该SEI膜并不随循环次数的增加而生长。