離子液體在電池中的應(yīng)用

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1、離子液體在電池中的應(yīng)用陳人杰1，2張海琴1吳鋒1，2???(1.北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)工程北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100081;2.國(guó)家高技術(shù)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(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬、不揮發(fā)、不燃燒等特點(diǎn)，其作為新一代功能電解質(zhì)材料在不同電池體系中的應(yīng)用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)離子液體在電池體系中的最新研究進(jìn)展作了較為全面的闡述，其中著重介紹了本研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)面向鋰二次電池、超級(jí)電容器和燃料電池等不同電化學(xué)體系應(yīng)用研究開發(fā)的離子液體基功能電解質(zhì)材料，探討了當(dāng)前存在的問題及研究的方向

2、，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。???關(guān)鍵詞離子液體電解質(zhì)鋰二次電池超級(jí)電容器燃料電池???中圖分類號(hào):TM911;O646.1??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A??文章編號(hào):1005-281X(2011)02/3-0366-08???1引言???離子液體(ionicliquids)是指完全由陰、陽(yáng)離子所構(gòu)成的在室溫條件下呈液態(tài)的物質(zhì)。由于其獨(dú)特的物化屬性，如熱穩(wěn)定性好、液程寬、溶解能力強(qiáng)、電導(dǎo)率高、電化學(xué)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擇［1，2］;另一方面，離子液體又被稱為“可設(shè)計(jì)的綠色溶劑”，不僅通過設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)陰

3、陽(yáng)離子可實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊性能離子液體的目標(biāo)合成，而且其對(duì)環(huán)境友好的特性也促進(jìn)離子液體成為新材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)。隨著目前新型電池對(duì)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(xué)研究領(lǐng)域新材料研發(fā)工作中的重點(diǎn)，而離子液體作為新一代電解質(zhì)材料也逐漸在物理化學(xué)電源電化學(xué)體系中受到關(guān)注，在高能電池、電容電池、燃料電池及光電化學(xué)太陽(yáng)能電池等方面得到了一系列的應(yīng)用研究。???2離子液體在鋰二次電池中的應(yīng)用???目前應(yīng)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

4、黏度小、電導(dǎo)率高，滿足鋰離子電池電解質(zhì)的要求，但是存在電化學(xué)窗口較窄、對(duì)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(yīng)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離子液體相比，具有黏度高、電導(dǎo)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(lái)提高其電化學(xué)性能。吡唑類離子液體具有良好的電化學(xué)性能。Kim等［4

5、］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(dǎo)率，優(yōu)于同等配比下的哌啶類離子液體體系。已有學(xué)者［5］研究了N-甲，丙基哌啶-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(［PP13］TFSI)、N-甲，丁基哌啶-二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(［PP14］TFSI)的電化學(xué)性能，結(jié)果顯示哌啶類離子液體具有熔點(diǎn)低、電導(dǎo)率較大、電化學(xué)窗口寬(5.8V)的優(yōu)點(diǎn)，較適合作高電位鋰離子電池的電解質(zhì)。Sham

6、sipur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(xué)性能，結(jié)果證明這幾種離子液體均具有較寬的電化學(xué)窗口。另外，Seki等［7］還對(duì)含不同烷基鏈離子液體的物理化學(xué)性能進(jìn)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-TF

7、SA)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(yīng)用到以鋰鈷氧為正極、金屬鋰為負(fù)極的鋰離子原理電池中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)烷基鏈越長(zhǎng)，鋰離子電池的充放電性能越好，其中應(yīng)用PTMP-TFSA和BTMP-TFSA基電解質(zhì)的原理電池在充放電150周后可逆容量保持在100mAh·g－1以上。???近年來(lái)，愈來(lái)愈多的研究?jī)A向于對(duì)離子液體復(fù)合有機(jī)溶劑來(lái)提高其物理和化學(xué)性能。Guerfi等［8］選用碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)與EMI-TFSI復(fù)合電解液應(yīng)用于以石墨為負(fù)極、LiFePO4為正極的鋰離子電池中，當(dāng)

8、離子液體含量超過40%時(shí)，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(jī)溶劑電池樣品穩(wěn)定