电沉积制备结构和性能可控的纳米结构硅合金膜层的研究

According to cation adsorption of the ionic liquid onto the electrode, direct electrodeposition of Si/Al alloy nanostructures with either nanowires or porous nanoparticles films onto Cu substrates in a low-cost SiCl4-AlCl3/TMHC ionic liquid without template are proposed. The complex ion structures of the Si and Al in the ionic liquid, electrochemical reduction mechanism and the nuclei formation and growth mechanisms of both Si and Al are investigated. Cyclic voltammograms, electrochemical impediance as well as electrochemical Raman scattering (SERS) in site are used to investigate the interface structure of Cu/ ionic liquid , and the relation of the cation adsorption with the applied potential on the electrode, then the potential or current is used to control the ability of the cation adsorption on the electrode.Alternate positive potential pulse and reverse potential pulse are applied to prepare Si/Al alloy nanowires and multi-steps positive potential pulse and reverse potential pulse to prepare porous films composing of nanoparticles. Reverse potential pulses are used to dissolve Al from Si/Al alloy to reduce the diameter of the nanowires and also increase the porosity of the films and reduce the size of the particles. The effects of the electrochemical parameters such as potential，current and reverse current (potential) and of the technological parameters such as the temperature and electrolyte composition on the structure and morphology of the Si/Al alloy are characterized. The cyclic and rate performances of Si/Al alloy anode as the Li ion battery are optimized by adjusting the Si/Al alloy nanowires and porous nano-particle film structures.

采用廉价SiCl4-AlCl3/盐酸三甲胺离子液体，在无外加模板的条件下,依靠离子液体中阳离子在电极表面的吸附作用，在Cu基体上直接电沉积制备Si/Al合金纳米线和多孔纳米膜。研究Si/Al络合离子结构、电化学还原机理和Si/Al的形核和长大机理。采用循环伏安曲线、电化学阻抗谱和电化学原位拉曼光谱研究Cu/离子液体界面结构、阳离子吸附形式与电位之间的关系，从而通过控制电位控制阳离子在电极的吸附能力。交替采用电位/反向电位制备Si/Al合金纳米线，以及交替采用多步正向电位脉冲/反向电位制备多孔纳米膜。反向电位使Si/Al合金的Al元素选择性溶解，以降低纳米线直径和增加纳米膜孔道和降低颗粒的尺寸。通过研究电位、电流、反向电流和电位，以及电解质组成和温度对Si/Al合金形貌和结构的影响，调控Si/Al合金纳米线和多孔纳米结构,优化Si/Al合金作为锂离子电池负极的电化学循环性能和倍率性能。

针对锂离子电池中纳米硅负极材料存在制备成本高、在充放电过程中存在严重的体积膨胀的问题，项目采用离子液体电沉积制备了铝硅基复合物、硅基复合物代替纳米硅阳极。为此，项目研究了不同离子的电化学还原过程和机理，通过控制电沉积参数制备了铝硅基复合物、硅基复合物，并表征其循环稳定性和倍率性能。.在TMHC-AlCl3 基离子液体, AlCl3-BMPC，CoCl2-EMIC基离子液体中，在无模板的条件下,通过控制电沉积条件分别得到了铝基纳米线和钴基纳米线。尤其在AlCl3-BMPC离子液体中首次制备了平均直径为30nm的铝纳米线，并提出了铝纳米线形成机理为电化学二维-三维-一维（EC 2D-3D-1D）生长机理，通过控制扩散条件及Al2Cl7-离子浓度，可以有效控制铝纳米线的结构和形貌。这些发现为电沉积制备金属及其合金纳米线具有重要的理论和实际参考价值。以Al纳米线为基体，所制备的Si-C-O负极材料，在1C的倍率下，在1000次循环后的可逆容量为594.9 mAh /g，容量保持率达89.4%，表现出了良好的长期稳定性，在锂离子微电池领域具有较好的应用前景。.在石墨烯-1M SiCl4-[BMP] Tf2N离子液体中，通过电沉积获得了层状结构的硅石墨烯复合物，每一层厚度为100nm，石墨烯为4-5层。在三种CuCl（CuTFO或Cu(TFO)2）-1M SiCl4-[BMP] Tf2N离子液体中，电沉积均获得了层状结构的硅铜复合物，层状复合物的厚度及硅颗粒大小可控。通过控制电沉积参数，层状硅铜复合物还兼具多孔结构，在硅铜复合物中出现了量子点及厚度极薄的硅层。这些研究为进一步制备层状结构的硅复合材料提供了重要的理论支撑。采用Cu(TFO)2-SiCl4-[BMP]Tf2N离子液体体系，在-1.9V的沉积电位下,获得的硅铜复合物具有层状多孔结构。在4A/g倍率下，初始容量为1572.4mAh/g，800次循环后的容量为1450.4mAh/g，容量保有率为90%，库仑效率高于95%,并给出了极好的倍率性能。硅铜复合物作为锂离子电池负极材料表现出了长期的循环稳定性和倍率性能，具有较好的应用前景。