[发明专利]一种离子液体体系中电沉积锂铜合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电沉积锂铜合金的方法。

背景技术

目前，锂铜合金的研究主要用于两大领域，一类是添加高含量锂的锂铜合金，主要利用锂对中子的屏蔽效应，用作核反应堆的屏蔽材料，另一类则是添加微量锂的锂铜合金，主要用作高导、高强、高耐磨合金。日、美、苏三国都在研究锂铜合金，其中锂的质量分数在0.01％～1.3％之间，该合金主要应用在铜导线、焊铜的焊丝、电焊用电极、有灭弧效应的触头材料等方面。有报道表明，锂铜合金可在聚变反应器中得到很好的应用；铜基超导合金中添加少量锂和其它元素后，能够获得超导性能更好，加工性能优越的材料。由此可见，锂铜合金具有极为广阔的应用前景。

目前，锂铜合金的制备大多通过熔炼方式来获得。但是由于铜、锂密度相差极大(前者为8.9g/cm³，后者仅为0.534g/cm³)，在熔炼、浇铸过程中难以将密度悬殊如此大的两种金属熔炼成宏观分布较为均匀的合金，因而，熔炼法不易得到化学成分均匀一致的铜锂合金。由于锂的化学活性较大，在高温下能与许多物质反应，把锂加入到铜液中要避免氧化、氮化是熔炼法的一个难点，并且锂还会与浇注模和坩埚等材料发生反应，因而熔炼法在制备锂铜合金时容易引入杂质。另外，在熔炼过程中锂的损耗难以确定，因而采用熔炼法难以获得锂含量较稳定的铜锂合金。而采用电沉积的方法制备锂铜合金恰好可以克服熔炼法的上述缺点。

众所周知，金属锂非常活泼，能够与水发生剧烈的反应，因此，在水溶液中无法进行锂的电沉积。采用有机电解液和离子液体电解液电沉积金属锂，目前已有报道。但以离子液体为电解液电沉积电极电势相差较大的锂与铜的合金，目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有熔炼法制备锂铜合金中锂元素含量不易控制，能耗大的问题，本发明提供了一种离子液体体系中电沉积锂铜合金的方法。

本发明一种离子液体体系中电沉积锂铜合金的方法是通过以下步骤实现的：一、将LiBF₄、Cu(BF₄)₂和添加剂依次加入离子液体1-丁基3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF₄)中，搅拌溶解得电解液，其中LiBF₄的浓度为40～160g/L，Cu(BF₄)₂的浓度为100～200g/L、添加剂占电解液总质量的0.5％～2％，所述的添加剂为丁炔二醇；二、对阴极材料进行电沉积前处理后，将阴极材料和阳极材料同时浸入电解液中，采用恒电流方式进行电沉积10～120min，即在阴极材料表面得到锂铜合金；其中，步骤二中控制电流密度为5～10A/m²，阴极材料为铜、镍、钛或者不锈钢等，阳极材料为铜、铂或者石墨等，保持电解液温度在20～50℃；步骤一和步骤二均在充满惰性气体的手套箱中进行。

本发明中阴极材料和阳极材料不限于以上列举的材料，凡是现有电沉积技术领域可用来作为阴极材料的材料均可用于本发明，本领域常用的惰性阳极材料亦可用于本发明。

本发明的方法简单，工艺简练，设备简单，制备的环境条件要求低，能耗低。同时实现了具有大的电极电势差的锂和铜的共沉积，并且电沉积得到的锂铜合金镀层均匀、具有金属光泽，厚度为1～10μm；本发明通过调整电解液组成浓度和各项电沉积工艺参数即可调整锂铜合金中金属锂的含量，金属锂含量可控，锂铜合金中锂的原子质量百分含量为7％～40％。

本发明采用离子液体作为溶剂，得到无水电解液体系，避免了因金属锂与水发生剧烈反应而无法在水溶液中实现金属锂电沉积的弊端。

在298.15K、水溶液条件下，铜的标准电极电势为0.337V，锂的标准电极电势为-3.045V。两者电势差为3.382V，在现有本领域技术人员的公知常识下“电镀共沉积两种金属的条件之一是共沉积的两种金属的电极电势相近或相等”，锂和铜的沉积是无法实现的，而本发明跳出现有本领域的一贯研究手段，在离子液体体系中实现了锂和铜的共沉积，得到了锂铜合金镀层。

本发明采用的室温离子液体，对大多数无机物和有机物具有良好的溶解性，同时它还具有很宽的电化学窗口、优良的导电性、几乎没有蒸汽压、较高的热稳定性等优点。因此，离子液体作为新一代的绿色溶剂正日益受到人们的广泛重视。

对电沉积金属而言，由于离子液体具有很宽的电化学窗口，这样就使得两种电极电势相差较大的金属在离子液体中共沉积成为可能，因此，在离子液体电解液中实现了锂铜合金的电沉积。