锂电池负极材料LiCu合金薄膜的电沉积制备及性能研究

摘要

金属锂因质量轻、理论比能量极高(约3860mAh/g)一直是一种备受关注的锂电池电极材料,但其始终未实现真正的商品化应用,原因在于金属锂在充放电使用中易产生枝晶,从而引发严重的电池安全问题。针对这一致命性缺点,本文尝试以电沉积法制备的LiCu合金薄膜作为新型锂电池负极材料,该材料以铜为骨架,充放电时以稳定的铜骨架结构促进锂的均匀沉积和溶解,抑制锂的体积膨胀和收缩,从而避免锂枝晶的形成,提高锂金属负极的安全稳定性。
　　分别在1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm][BF4])和1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIm][TFSI])两种离子液体体系中,电沉积制备了LiCu合金薄膜,通过对比研究合金薄膜的微观形貌、组成和稳定性,最终确定[EMIm][TFSI]体系为更适宜的制备锂电池负极材料LiCu合金薄膜的电沉积体系,并确定电沉积溶液组成为1.0mol/LLiTFSI+0.066mol/LCu(PTSA)2+[EMIm][TFSI]:NMP(体积比2:1),恒电势沉积条件为:电势-3V,温度298K,时间2h,辅助电极和参比电极分别为铂片和铂丝。
　　以上述条件下制备的LiCu合金薄膜中Li的相对原子含量为74.80％,Cu的相对原子含量为25.20%,理论比容量可达943.87mAh/g。分别将该合金负极与正极材料LiCoO2、LiFePO4及Li(NiCoMn)O2组装成电池,通过循环伏安测试、充放电测试、SEM表征和EIS测试研究了LiCu合金负极与三种正极材料的相容性。结果发现,LiCu合金负极与LiFePO4正极的相容性较优,但两者组装成的电池的循环性能和充放电性能仍不及“商用Li/LiFePO4”电池稳定,并且倍率性能测试也表明,随着充放电倍率的增长,“LiCu合金/LiFePO4”电池放电容量的衰减速度比“商用Li/LiFePO4”电池要快。
　　以上电池性能研究的结果表明,目前电沉积工艺制备出的LiCu合金薄膜电极的循环稳定性并没有比商用Li电极有所提高,说明LiCu合金薄膜电极在锂电池中的作用机制与预期设想的作用原理不同。通过对比研究该合金电极和商用Li电极在电解液中浸泡后的表面动力学性能与表面红外光谱分析结果,得出LiCu合金薄膜电极在锂电池中的作用机制为:LiCu合金薄膜电极表面金属晶粒尺寸较小,比表面积较大,与电解液的反应活性更高,导致表面形成的SEI膜膜层成分复杂、结构疏松且不致密,因而使得电极界面阻抗和Li+迁移受到的“阻力”增大,电极的充放电效率和循环稳定性变差。

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目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 锂电池发展概况

1.3锂负极材料的研究进展

1.4 离子液体电沉积的研究进展

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验材料及测试方法

2.1 实验药品、仪器及实验方法

2.2 样品制备与电池组装

2.3 测试与表征方法

第3章 LiCu合金薄膜的电沉积工艺制备及性能研究

3.1 离子液体的选择

3.2 四氟硼酸体系电沉积LiCu合金薄膜

3.3 双三氟甲磺酰亚胺体系电沉积LiCu合金薄膜

3.4 本章小结

第4章 LiCu合金薄膜作为锂电池负极材料的性能研究

4.1 LiCu合金薄膜电极与锂电池正极材料的相容性

4.2 LiCu合金薄膜电极的比容量和倍率性能

4.3 LiCu合金薄膜电极在锂电池中的作用机制

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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