[发明专利]有机硅醚室温离子液体电解质材料及其在电化学储能器件中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及化学技术领域，尤其是涉及一类有机硅醚室温离子液体电解质材料及其在电化学储能器件中的应用。

技术背景

目前，锂电池产业中所使用的有机电解质材料主要是烷基碳酸酯类化合物和LiPF6锂盐体系，高温(60℃以上)下其性能大大下降，而如电动汽车用动力电池要求更高的工作温度范围(约为-30至80℃)；而且，烷基碳酸酯类有机电解质材料具有很高的可燃性，因此安全性存在巨大的隐患；尤其是在混合动力和全电汽车应用领域，安全性问题是制约这些材料实际应用的重要因素。对超级电容来说，由于储存的能量与电解质的充电电压的平方成正比(E＝1/2CV²)，因此提高电解质的电化学窗口将大大提高所存储的能量。超级电容所用的电解质材料主要有水系电解液、有机电解液、离子液体和固态聚合物电解质材料。有机电解质主要有烷基碳酸酯(欧洲和日本)和乙腈(Acetonitrile，美国)，这些电解质具有较高的电导率；但烷基碳酸酯材料易燃，存在安全性问题，而乙腈尽管具有优良的低温性能，但具有高挥发性和高毒性。此外，这些有机材料的电化学窗口约为2.7V，而水系材料的电化学窗口更低，约1.2V。

离子液体(Ionic Liquid)又称室温熔融盐，是在室温或室温附近的温度下呈液态的由离子构成的化合物，通常由阴离子和含氮(季胺盐型)、磷(季膦盐型)等杂原子的有机阳离子构成。离子液体是属于与其他电解质材料、传统有机溶剂和电解液完全不同的一类新型物质群，近年来其作为新型绿色电解质材料引起了学术界的广泛兴趣和锂离子电池产业界的极大期待，极有可能作为下一代新型绿色电解液应用于电化学器件(锂二次电池、超级电容器、染料敏化太阳电池和燃料电池)中。离子液体种类很多，通过改变阳阴离子的不同组合，可以合成出不同结构的离子液体。离子液体具有许多优异的理化特性：(1)蒸气压极低；(2)耐热性高，液态温度范围宽(可达300℃)；(3)难燃；(4)化学稳定性高，且对其它极性物质的溶解性能优良；(5)电化学窗口宽，分解电压高(可达到～6V)；(6)物理化学性质可通过对阳离子的化学修饰或改变阴离子进行设计调节。离子液体的这些独特性能使得其作为电解质材料在电化学领域得到逐步而广泛的应用。

A.Balducci等报道了离子液体为绿色电解质材料应用于杂化超级电容的研究(Applied Physics，2006，627-632)，并讨论了使用(CF₃SO₂)₂N^-为阴离子的环状烷基季铵阳离子做为电解质应用于超级电容。杨立等人报道了一种含N-腈基-N烷基吗啉阳离子液体，并讨论了其在锂离子电池中的应用，腈基有利于锂盐的溶解，从而提高离子电导率(中国专利，200710043429.9)。Z.Li等报道了一种含三甲基硅基的咪唑类新离子液体，并做为萃取溶剂(Talanta，71，2007，68-72)。R.West等在美国专利US7679884B2和US2009088583-A1中，分别报道了有机硅季膦和季铵阳离子类的离子液体电解质材料，有机硅离子液体作为电解质材料有一些独特的性质，适合于电化学储能器件应用。

但是人们至今对离子液体的化学结构组成与材料物化性能和电化学性能之间的关系还未有明确认识，尤其是做为超级电容和锂离子电池电解质材料，试图让离子液体同时具备高离子电导率和高电化学稳定性的困难还未能解决，离子液体电解液与电极材料的相容性还有待改善。因此，为解决上述问题，还需要研究开发具有新型化学结构的离子液体。

发明内容

本发明的目的之一是提供一类有机硅醚室温离子液体电解质材料。

本发明的另一个目的是提供上述有机硅醚室温离子液体电解质材料在电化学储能器件中的应用。

本发明有机硅醚室温离子液体电解质材料是阳离子化学结构式含有机硅醚的室温离子液体，所述阳离子的化学结构式如下式I所示：