[發明專利]一種離子液體電解質

無效

• 申請號: 201010100952.2
• 申請日: 2010-01-25
• 公開（公告）號: CN101771166A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 陳人杰;吳鋒;李麗;張蓉;陳實;王國慶
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M10/0568
• 分類號: H01M10/0568;H01M6/16;H01G9/035
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技術領域

本發明屬離子液體材料技術領域，主要面向鋰離子電池、電化學超級電容器、鋰硫電池等電化學電池及電子器材技術領域的應用，也可在催化化學及有機合成等方面得到應用。

技術背景

普通離子化合物由于強的離子鍵作用而在室溫下為固體，且具有較高的熔點、沸點和硬度。而大且不對稱陰陽離子的引入，由于空間阻礙破壞原有有序晶體結構，離子間作用減小，而形成室溫下呈液態的鹽，即室溫熔鹽(離子液體，Ionic?liquids)。離子液體是完全由離子組成的非水液體，是室溫或低溫(＜100℃)下呈液態的鹽，一般是由有機陽離子和無機陰離子所組成。與傳統的有機溶劑、水、超臨界流體等相比，多數離子液體具有不揮發，蒸氣壓低，液態溫度范圍寬(-100～300℃)，不燃、不爆炸、不氧化、高的熱穩定性及電化學窗口寬和離子導電率高等顯著特點，部分體系對水、對空氣均穩定，易于制備、綠色環保。

根據離子液體的特性，目前其應用研究領域主要包括：催化；合成(是有機合成和聚合反應的良好溶劑)；分離提純；電化學。在電化學應用研究方面，由于離子液體具有較大的穩定溫度范圍、較好的化學穩定性、較寬的電化學電位窗及良好的離子導電性，因而近年來作為新型電解質得到了科研人員的廣泛重視和深入研究，在電池、電容器、電沉積等方面得到了一定的應用發展。特別是目前廣泛使用的液體電解質由于含有易燃、易揮發的有機溶劑，其在充放電過程中釋放出可燃氣體，在某些非常規工作條件下(如大功率充放電、過充過放等)產生大量熱會加速氣體的產生，導致電池內壓增高，氣液泄漏，甚至起火爆炸，因而存在嚴重的安全隱患。同時液體電解質體系還存在熱穩定性差、凝固點高等不足，在低溫下電導率急劇下降，高溫下電解液易分解變質。這些問題都嚴重制約了新型電池、電容器等體系特別是大功率性能方面的發展。研究發現，應用離子液體作為新型電解質溶液，在增強現有電化學體系的實用性并顯著改善其安全性方面有著較好的應用前景，可突破現有化學電源應用的局限。

本發明的目的是為解決已有材料及相關技術的不足而提供一種安全性高、電化學性能優良的電解質材料。該電解質材料選用離子液體，其由有機硼酸酯鋰或鋁酸酯鋰和室溫下為固體的、高熔點的含酰胺基官能團的有機化合物混合制得，或添加適當比例的有機溶劑制得。近年來，有機硼酸酯鋰作為一種新型的鋰鹽得到科研人員的廣泛關注。其中二氟草酸硼酸鋰(LiODFB)因其獨特的化學結構而具有更為優良的物化屬性，且不僅可生成性能穩定的SEI膜，表現出良好的導電性，可滿足鋰離子電池的高溫穩定性能和循環性，同時具有良好的溶解性和適宜的黏度，可滿足鋰離子電池的低溫應用和高倍率放電。在鋁酸酯鋰方面，LiAl[OCH(CF₃)₂]₄不僅顯示出高的熱穩定性和電化學穩定性，而且具有高的電導率和低的熔點。

20世紀80年代出現了一類由酰胺與堿金屬硝酸鹽或硝酸銨組成的低溫熔鹽，研究發現，尿素(摩爾比χ＝0.591)-NH₄NO₃(摩爾比χ＝0.409)(熔點T_m＝63.5℃)、尿素-乙酰胺-NH₄NO₃(熔點T_m＝＝7℃)等硝酸鹽與短鏈脂肪胺形成的熔鹽具有明顯的過冷傾向，過冷熔體在-20℃下都能保持液態數日乃致數月。Caldeira等研究了尿素-乙酰胺-堿金屬硝酸鹽或硝酸銨組成的室溫熔鹽，其室溫電導率高于10^-3S·cm^-1，電化學窗口約為2V，可作為電池如常溫鋰熱電池或鈦和鈦合金陽極氧化等表面處理的電解質。趙瑩歆等通過將聚氧化乙烯加入尿素-乙酰胺-堿金屬硝酸鋰低溫共熔鹽中，以抑制體系的晶體析出。MacFarlane等設計出的新型低溫熔鹽為塑晶網絡，此種晶格具有旋轉無序性且存在空位，鋰離子摻雜其中后可快速移動。本課題組先后報道了幾類基于LiTFSI和含酰胺基官能團有機物(如尿素等)的離子液體，物化性能的研究表明，體系具有優良的熱穩定性和電化學性能，且合成容易、原料低廉。上述研究中，含酰胺基官能團的有機化合物多具有似水的物理特性(高介電常數和離解常數)，因此常被用于與其它有機或是無機化合物形成共熔體系的研究中，可有效降低復合系統的熔點。