[发明专利]一种离子液体

说明书

技术领域

本发明属离子液体材料技术领域，主要面向锂离子电池、电化学超级电容器、锂硫电池等电化学电池 及电子器材技术领域的应用，也可在催化化学及有机合成等方面得到应用。

技术背景

离子液体(Ionic liquids)是完全由离子组成的非水液体，是室温或低温(＜100℃)下呈液态的盐，一 般是由有机阳离子和无机阴离子所组成。与传统的有机溶剂、水、超临界流体等相比，多数离子液体具有 不挥发，蒸气压低，液态温度范围宽(-100～300℃)，不燃、不爆炸、不氧化、高的热稳定性及电化学窗口 宽和离子导电率高等显著特点，部分体系对水、对空气均稳定，易于制备、绿色环保。

根据离子液体的特性，目前其应用研究领域主要包括：催化；合成(是有机合成和聚合反应的良好溶 剂)；分离提纯；电化学。在电化学应用研究方面，由于离子液体具有较大的稳定温度范围、较好的化学 稳定性、较宽的电化学电位窗及良好的离子导电性，因而近年来作为新型电解质得到了科研人员的广泛重 视和深入研究，在电池、电容器、电沉积等方面得到了一定的应用发展。特别是目前广泛使用的液体电解 质由于含有易燃、易挥发的有机溶剂，其在充放电过程中释放出可燃气体，在某些非常规工作条件下(如 大功率充放电、过充过放等)产生大量热会加速气体的产生，导致电池内压增高，气液泄漏，甚至起火爆 炸，因而存在严重的安全隐患。同时液体电解质体系还存在热稳定性差、凝固点高等不足，在低温下电导 率急剧下降，高温下电解液易分解变质。这些问题都严重制约了新型电池、电容器等体系特别是大功率性 能方面的发展。研究发现，应用离子液体作为新型电解质溶液，在增强现有电化学体系的实用性并显著改 善其安全性方面有着较好的应用前景，可突破现有化学电源应用的局限。

本发明的目的是为解决已有材料及相关技术的不足而提供一种安全性高、电化学性能优良的电解质材 料。该电解质材料选用离子液体，其由双草酸硼酸锂和室温下为固体的、高熔点的含酰胺基官能团的有机 化合物混合制得，或添加适当比例的有机溶剂制得。双草酸硼酸锂(LiBOB)具有高的分解温度和稳定性 的电化学性能，特别是较之传统锂盐，LiBOB的高温稳定性和石墨类负极材料表面的成膜性能显著。对应 于石墨负极和锂镍基混合氧化物正极组成的电池，基于LiBOB的电解液在较高温度60℃或70℃下循环时 没有显著的容量衰减。同时研究还发现，在尖晶石LiMnO₂、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂及LiFePO₄等几种锂离子电 池正极材料中，在过充电条件下，使用LiBOB电解液所产生的热量低于使用LiPF₆的电解液。这表明LiBOB 电解液能够有效提高正极和负极材料的热稳定性，显著提高锂离子电池的安全性。

20世纪80年代出现了一类由酰胺与碱金属硝酸盐或硝酸铵组成的低温熔盐，研究发现，尿素(摩尔 比χ＝0.591)-NH₄NO₃(摩尔比χ＝0.409)(熔点T_m＝63.5℃)、尿素-乙酰胺-NH₄NO₃(熔点T_m＝＝7℃)等硝 酸盐与短链脂肪胺形成的熔盐具有明显的过冷倾向，过冷熔体在-20℃下都能保持液态数日乃致数月。 Caldeira等研究了尿素-乙酰胺-碱金属硝酸盐或硝酸铵组成的室温熔盐，其室温电导率高于10^-3S·cm^-1，电 化学窗口约为2V，可作为电池如常温锂热电池或钛和钛合金阳极氧化等表面处理的电解质。赵莹歆等通 过将聚氧化乙烯加入尿素-乙酰胺-碱金属硝酸锂低温共熔盐中，以抑制体系的晶体析出。MacFarlane等设 计出的新型低温熔盐为塑晶网络，此种晶格具有旋转无序性且存在空位，锂离子掺杂其中后可快速移动。 本课题组先后报道了几类基于LiTFSI和含酰胺基官能团有机物(如尿素等)的离子液体，物化性能的研 究表明，体系具有优良的热稳定性和电化学性能，且合成容易、原料低廉。上述研究中，含酰胺基官能团 的有机化合物多具有似水的物理特性(高介电常数和离解常数)，因此常被用于与其它有机或是无机化合 物形成共熔体系的研究中，可有效降低复合系统的熔点。