離子液體在電池中的應用

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1、離子液體在電池中的應用陳人杰1，2張海琴1吳鋒1，2???(1.北京理工大學化工與環(huán)境學院環(huán)境科學工程北京重點實驗室北京100081;2.國家高技術綠色材料發(fā)展中心北京100081)???摘要離子液體由于具有熱穩(wěn)定性好、電導率高、電化學窗口寬、不揮發(fā)、不燃燒等特點，其作為新一代功能電解質(zhì)材料在不同電池體系中的應用成為當前研究的熱點。本文對離子液體在電池體系中的最新研究進展作了較為全面的闡述，其中著重介紹了本研究團隊近年來面向鋰二次電池、超級電容器和燃料電池等不同電化學體系應用研究開發(fā)的離子液體基功能電解

2、質(zhì)材料，探討了當前存在的問題及研究的方向，并對其應用前景進行了展望。???關鍵詞離子液體電解質(zhì)鋰二次電池超級電容器燃料電池???中圖分類號:TM911;O646.1??文獻標識碼:A??文章編號:1005-281X(2011)02/3-0366-08???1引言???離子液體(ionicliquids)是指完全由陰、陽離子所構成的在室溫條件下呈液態(tài)的物質(zhì)。由于其獨特的物化屬性，如熱穩(wěn)定性好、液程寬、溶解能力強、電導率高、電化學窗口寬等，特別是離子液體的不揮發(fā)性和不燃燒性為改善和提高電池的安全性能提供了新的選

3、擇［1，2］;另一方面，離子液體又被稱為“可設計的綠色溶劑”，不僅通過設計調(diào)節(jié)陰陽離子可實現(xiàn)對特殊性能離子液體的目標合成，而且其對環(huán)境友好的特性也促進離子液體成為新材料研究開發(fā)的熱點。隨著目前新型電池對高容量、高功率、高安全性及綠色環(huán)保等性能的需求，高性能電解質(zhì)材料的研究開發(fā)成為電化學研究領域新材料研發(fā)工作中的重點，而離子液體作為新一代電解質(zhì)材料也逐漸在物理化學電源電化學體系中受到關注，在高能電池、電容電池、燃料電池及光電化學太陽能電池等方面得到了一系列的應用研究。???2離子液體在鋰二次電池中的應用???

4、目前應用于鋰二次電池中的離子液體主要有咪唑類、季銨鹽類、吡唑類和哌啶類等。???咪唑類離子液體是目前研究最多的電解質(zhì)，其黏度小、電導率高，滿足鋰離子電池電解質(zhì)的要求，但是存在電化學窗口較窄、對金屬鋰的穩(wěn)定性較差等不足，限制了咪唑類離子液體在鋰離子電池體系中的應用。目前主要研究的咪唑類離子液體體系包括［3］:1-乙基-3-甲基咪唑-六氟磷酸鹽(EMI-PF6)、1-乙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸鹽(EMI-BF4)和1-乙基-3-甲基咪唑-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(EMI-TFSI)等。季銨鹽類離子液體與咪唑類

5、離子液體相比，具有黏度高、電導率低的不足，但是研究發(fā)現(xiàn)可通過在脂肪族季銨鹽離子液體中引入氰基來提高其電化學性能。吡唑類離子液體具有良好的電化學性能。Kim等［4］合成了一種新型離子液體，將離子液體1-丙基-3-甲基咪唑-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(PMIM-TFSI)與鋰鹽二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)以1∶1的比例混合得到離子液體電解質(zhì)，此電解質(zhì)在室溫下具有較高的離子電導率，優(yōu)于同等配比下的哌啶類離子液體體系。已有學者［5］研究了N-甲，丙基哌啶-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(［PP13］TFSI)、

6、N-甲，丁基哌啶-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(［PP14］TFSI)的電化學性能，結果顯示哌啶類離子液體具有熔點低、電導率較大、電化學窗口寬(5.8V)的優(yōu)點，較適合作高電位鋰離子電池的電解質(zhì)。Shamsipur等［6］研究了幾種新型離子液體1-丁基-1-甲基吡咯烷-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(［BMPyrr］［NTf2］)、1-丁基-1-甲基咪唑-三氟甲基磺酸鹽(［BMIM］［OTf］)及1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(［EMIM］［BF4］)的物理和電化學性能，結果證明這幾種離子液體均具有較寬的電化學窗口

7、。另外，Seki等［7］還對含不同烷基鏈離子液體的物理化學性能進行了研究，將三種離子液體1-乙基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺鹽(ETMP-TFSA)，1-丙基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺鹽(PTMP-TFSA)及1-丁基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺鹽(BTMP-TFSA)作為電解質(zhì)，應用到以鋰鈷氧為正極、金屬鋰為負極的鋰離子原理電池中，結果發(fā)現(xiàn)烷基鏈越長，鋰離子電池的充放電性能越好，其中應用PTMP-TFSA和BTMP-TFSA基電解質(zhì)的原理電池在充放電

8、150周后可逆容量保持在100mAh·g－1以上。???近年來，愈來愈多的研究傾向于對離子液體復合有機溶劑來提高其物理和化學性能。Guerfi等［8］選用碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)與EMI-TFSI復合電解液應用于以石墨為負極、LiFePO4為正極的鋰離子電池中，當離子液體含量超過40%時，電池的安全性能得到了有效改善，且添加了離子液體的原理電池LiFePO4電極的界面阻抗要比純有機溶劑電池樣品穩(wěn)定