为了开发高性能的储能材料,系统地研究材料的物理、化学性质及其对电化学性能的影响,并将其应用到实际器件中。本文首先介绍锂电池的工作原理,以元素周期表为基础讨论潜在的高容量无锂电极材料,以及现有的过渡金属氧化物含锂正极材料,接着介绍锂电池的界面机制及其保护策略,综述当前固态电解质和全固态薄膜锂电池的前沿研究成果。然后就材料的制备、表征和测试展开讨论,并介绍相关的仪器设备及其原理。本文主要采用磁控溅射法、溶胶凝胶法和溶剂热法开发新型多元电极材料,通过合成纳米材料、优化几何结构和改性过渡界面等方式提高储锂性能,同时结合多种材料表征手段进行分析和优化,并采用微制造工艺制备全固态微型薄膜锂电池。所开发的新型材料可提高当前储能器件的性能,所采用的改性方法和研究策略对新能源材料的研究具有借鉴意义。主要取得以下成果:Cu-Sn-S纳米材料:提出一种简易合成Cu-Sn-S自组装纳米材料的溶胶凝胶法和溶剂热法,可用于制备其他具有类似的配合物性质的纳米材料。结合理论计算和实验结果,发现Cu-Sn-S纳米管具有由不同物相组成的核壳结构,基于材料性质和几何结构的原理,该核壳结构能够有效缓解电极材料的体积膨胀。不仅从根本上解释Cu-Sn-S纳米管的优异储锂性能,明确其物相组成,而且计算结果也为Cu-Sn-S的未来研究提供理论依据。Cu₂ZnSnS₄薄膜材料:采用磁控溅射法制备的Cu₂ZnSnS₄薄膜,循环500圈后容量仍高达540 μAh cm-2 μm-1或950 mAh g-1,较薄的厚度及其材料的高度可逆性是高储锂性能的主要原因。还结合微制造工艺将其应用于微型薄膜锂电池,相比相同尺寸的SnO₂微电池,Cu₂ZnSnS₄微电池具有更稳定的放电平台、更高的容量和更好的循环性能。说明薄膜电极材料的优越性,以及如何综合应用半电池与微电池的电化学特性。包覆的Cu₂ZnSnS₄三维材料:结合三维集流体和固体电解质薄膜,采用磁控溅射法制得表面用LiPON包覆的Cu₂ZnSnS₄三维电极材料,由于抑制的材料溶解、保护的反应界面和缓解的体积膨胀,储锂容量和循环性能都得到提升。说明综合运用结构改性和表面包覆,就能够明显提升合金材料的储锂性能,该策略也可以用于优化其他材料,而由于过程简便快捷,对于实际应用和大规模生产也具有可行性。LiPON/SnO₂保护膜:采用磁控溅射法在硅基底上沉积LiPON/SnO₂复合薄膜作为硅片的保护膜,并发现在制备时能够原位生成多孔结构。结合限制容量和电压的测试方法,合理地证明保护后的硅片在不牺牲库伦效率的前提下,容量和循环性能都得到提升。还详细表征该多孔结构和分析其形成机理,同时通过多种电化学测试手段探究其性能提升的根本原因。本工作完整地研究体硅材料经过表面保护后的性能提升机制,而且提出的原位生成多孔薄膜的方法也适用于其他材料或领域。硅基复合薄膜:在硅基底上沉积多种Si/Sn复合薄膜作为锂电池的负极材料,发现原位生成多孔的LiPON/CuxSnOy复合薄膜能够明显提升硅材料的储锂性能,还研究掺杂的铜离子对材料性质和储锂过程的影响及其反应机制。同时应用微制造技术,结合制备出的具有倒金字塔阵列结构的三维硅衬底,将CuxSnOy负极材料集成于三维的全固态微型薄膜锂电池,相比同尺寸的二维微电池具有更优异的电化学性能。