离子液体在电池中的应用

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1、离子液体在电池中的应用陈人杰1，2张海琴1吴锋1，2   (1.北京理工大学化工与环境学院环境科学工程北京重点实验室北京100081;2.国家高技术绿色材料发展中心北京100081)   摘要离子液体由于具有热稳定性好、电导率高、电化学窗口宽、不挥发、不燃烧等特点，其作为新一代功能电解质材料在不同电池体系中的应用成为当前研究的热点。本文对离子液体在电池体系中的最新研究进展作了较为全面的阐述，其中着重介绍了本研究团队近年来面向锂二次电池、超级电容器和燃料电池等不同电化学体系应用研究开发的离子液体基功能电解质材料，探讨了当前存在的问题及研究的方向

2、，并对其应用前景进行了展望。   关键词离子液体电解质锂二次电池超级电容器燃料电池   中图分类号:TM911;O646.1  文献标识码:A  文章编号:1005-281X(2011)02/3-0366-08   1引言   离子液体(ionicliquids)是指完全由阴、阳离子所构成的在室温条件下呈液态的物质。由于其独特的物化属性，如热稳定性好、液程宽、溶解能力强、电导率高、电化学窗口宽等，特别是离子液体的不挥发性和不燃烧性为改善和提高电池的安全性能提供了新的选择［1，2］;另一方面，离子液体又被称为“可设计的绿色溶剂”，不仅通过设计调节阴

3、阳离子可实现对特殊性能离子液体的目标合成，而且其对环境友好的特性也促进离子液体成为新材料研究开发的热点。随着目前新型电池对高容量、高功率、高安全性及绿色环保等性能的需求，高性能电解质材料的研究开发成为电化学研究领域新材料研发工作中的重点，而离子液体作为新一代电解质材料也逐渐在物理化学电源电化学体系中受到关注，在高能电池、电容电池、燃料电池及光电化学太阳能电池等方面得到了一系列的应用研究。   2离子液体在锂二次电池中的应用   目前应用于锂二次电池中的离子液体主要有咪唑类、季铵盐类、吡唑类和哌啶类等。   咪唑类离子液体是目前研究最多的电解质，其

4、黏度小、电导率高，满足锂离子电池电解质的要求，但是存在电化学窗口较窄、对金属锂的稳定性较差等不足，限制了咪唑类离子液体在锂离子电池体系中的应用。目前主要研究的咪唑类离子液体体系包括［3］:1-乙基-3-甲基咪唑-六氟磷酸盐(EMI-PF6)、1-乙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐(EMI-BF4)和1-乙基-3-甲基咪唑-二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(EMI-TFSI)等。季铵盐类离子液体与咪唑类离子液体相比，具有黏度高、电导率低的不足，但是研究发现可通过在脂肪族季铵盐离子液体中引入氰基来提高其电化学性能。吡唑类离子液体具有良好的电化学性能。Kim等［4

5、］合成了一种新型离子液体，将离子液体1-丙基-3-甲基咪唑-二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(PMIM-TFSI)与锂盐二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)以1∶1的比例混合得到离子液体电解质，此电解质在室温下具有较高的离子电导率，优于同等配比下的哌啶类离子液体体系。已有学者［5］研究了N-甲，丙基哌啶-二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(［PP13］TFSI)、N-甲，丁基哌啶-二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(［PP14］TFSI)的电化学性能，结果显示哌啶类离子液体具有熔点低、电导率较大、电化学窗口宽(5.8V)的优点，较适合作高电位锂离子电池的电解质。Sham

6、sipur等［6］研究了几种新型离子液体1-丁基-1-甲基吡咯烷-二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(［BMPyrr］［NTf2］)、1-丁基-1-甲基咪唑-三氟甲基磺酸盐(［BMIM］［OTf］)及1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(［EMIM］［BF4］)的物理和电化学性能，结果证明这几种离子液体均具有较宽的电化学窗口。另外，Seki等［7］还对含不同烷基链离子液体的物理化学性能进行了研究，将三种离子液体1-乙基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺盐(ETMP-TFSA)，1-丙基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺盐(PTMP-TF

7、SA)及1-丁基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺盐(BTMP-TFSA)作为电解质，应用到以锂钴氧为正极、金属锂为负极的锂离子原理电池中，结果发现烷基链越长，锂离子电池的充放电性能越好，其中应用PTMP-TFSA和BTMP-TFSA基电解质的原理电池在充放电150周后可逆容量保持在100mAh·g－1以上。   近年来，愈来愈多的研究倾向于对离子液体复合有机溶剂来提高其物理和化学性能。Guerfi等［8］选用碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)与EMI-TFSI复合电解液应用于以石墨为负极、LiFePO4为正极的锂离子电池中，当

8、离子液体含量超过40%时，电池的安全性能得到了有效改善，且添加了离子液体的原理电池LiFePO4电极的界面阻抗要比纯有机溶剂电池样品稳定