離子液體中電沉積Li-Cu合金的研究.pdf

1、金屬鋰若作為鋰離子電池負(fù)極活性材料,其理論容量可達(dá)3862 mAh/g,但是鋰在充電過程中會(huì)形成鋰枝晶,影響電池的性能。本文采用電沉積方式從離子液體中制備 Li-Cu合金薄膜,以此材料作為鋰離子電池負(fù)極時(shí),放電時(shí)鋰溶出后,就會(huì)形成銅的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架,銅骨架的存在可以抑制充電時(shí)鋰枝晶的形成,從而保證電池的安全可靠性。
　　選擇1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([EMIm][TFSI])離子液體作為電沉積 Li-Cu合金的溶劑。

2、采用循環(huán)伏安曲線(CV)研究了 Li的電沉積過程,發(fā)現(xiàn)鋰鹽的加入拓寬了離子液體的電化學(xué)窗口,使得鋰的電沉積成為可能,在該體系中可以電沉積得到銀灰色且結(jié)合力較好的鋰鍍層。選擇 NMP作為助溶劑,在[EMIm][TFSI]+NMP(體積比2:1)體系中,采用循環(huán)伏安曲線研究了Cu的電沉積過程,研究結(jié)果表明,在該體系中銅的電沉積是擴(kuò)散過程參與控制的不可逆電極過程。在該體系進(jìn)行電沉積,可以得到均勻致密的暗紅色的銅鍍層。
　　研究了幾種不同

3、的電沉積方式,考察了沉積工藝參數(shù)對(duì)沉積層外觀及Li含量的影響。在恒電流沉積方式下,隨著鍍液溫度的上升,電流密度的減小,沉積層中的 Li含量會(huì)減少;而當(dāng) Li鹽濃度恒定時(shí),Li/Cu摩爾濃度比對(duì) Li含量的影響不明顯,證明了本體系中 Li-Cu電沉積屬正則共沉積。對(duì)Li-Cu沉積層微觀形貌的研究表明 Li-Cu合金若要在鋰溶出后能留下較為完整的銅骨架,就必須要保持足夠高的銅含量。在恒電勢(shì)沉積方式下,隨著沉積電勢(shì)的正移,溫度的上升,沉積層中

4、的 Li含量會(huì)減小。在室溫條件下,沉積電位為-3.0～-3.5 V時(shí)可以獲得鋰含量較高(50 at.％左右)、外觀均勻的沉積層,沉積層是一種片狀的三維結(jié)構(gòu),在-3.5 V獲得的沉積層溶去鋰后,可看到明顯的銅骨架結(jié)構(gòu)。脈沖電壓電沉積的研究結(jié)果表明,平均電壓越高,沉積層中鋰含量越高,而頻率及占空比對(duì)沉積層的影響規(guī)律不夠明確。在平均電壓3 V,頻率1 kHz,占空比50%的條件下,可以獲得外觀均勻,鋰含量在50 at.%以上的沉積層。同時(shí)對(duì)沉

5、積層微觀形貌的研究發(fā)現(xiàn),與恒電勢(shì)電沉積類似,沉積層也是由片狀物組成。
　　XRD和 XPS分析表明,沉積層中的銅和鋰均以金屬形態(tài)存在,且保持了各自獨(dú)立的化學(xué)性質(zhì),因此 Li-Cu合金可能是一種機(jī)械混合物。采用循環(huán)伏安曲線研究了[EMIm][TFSI]+NMP(體積比2:1)體系中Li-Cu的共沉積行為,曲線中出現(xiàn)了兩個(gè)還原峰,分別對(duì)應(yīng)銅的沉積及鋰、銅的共沉積。研究發(fā)現(xiàn)鋰的沉積電勢(shì)發(fā)生了明顯的正移,說明銅的存在會(huì)使鋰的沉積變得更容易