论文部分内容阅读
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/L LiTFSI+0.066mol/L Cu（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。