离子液体电解质的制备及其在锂离子电池中的应用研究

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锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、环境友好等优势的特点,在电动车等领域有广阔的应用前景。锂离子电池的电解液多为有机溶剂,易引起放热反应,诱发电池安全问题,因此,安全无毒的新型电解液体系亟待开发。离子液体与传统有机电解质相比,具有电导率高、电化学稳定窗口宽、液态范围宽、不挥发和不可燃等特点,因此,离子液体作为锂离子动力电池电解液的优越性和可行性受到广泛关注。本文合成了烯丙基咪唑离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺AMIMTFSI,研究了离子液体电解质的物理化学性能,并研究了其与锂离子电池材料的相容性。结果表明,AMIMTFSI的热分解温度为380℃,电导率在常温下为7.8mS/cm,电化学窗口为4.7V,优于PMIMTFSI的电化学窗口(4.1V)和LiPF6-EC-DMC(4.3V);通过拉曼、红外光谱研究了离子液体电解质的离子缔合行为,锂盐浓度的增大会使离子液体中的聚集体(TFSI)2-增多,导致自由离子含量减少,电导率下降。配制以离子液体AMIMTFSI为溶剂的电解质:锂盐LiTFSI和单一离子液体以不同浓度混合作为电解液,含碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯以及LiCl的离子液体电解质,以离子液体为添加剂的LiPF6-EC-DMC、LiTFSI-EC-DMC有机电解液。研究了这9种离子液体电解质与LiFePO4、LiMn2O4以及硫材料的相容性,并与1-丙基-3甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺PMIMTFSI离子液体电解液进行了对比研究。结果表明,LiTFSI-AMIMTFSI电解液在电极表面可形成一层聚合物膜,这是由于AMIMTFSI发生聚合反应形成的,此膜可以阻止电解液的进一步分解,保护电极材料不被电解液腐蚀,但此种电解液的倍率性能不佳。向电解液LiTFSI-AMIMTFSI添加LiCl,循环8个月后,LiFePO4在0.05C下放电比容量仍可达165mAh/g,但倍率放电性能降低,向二元离子液体电解液中添加PC,LiFePO4在0.1C循环100周后容量保持率在97.4%(151mAh/g),倍率放电性能也得到改善。向LiTFSI-EC-DMC添加5wt%的AMIMTFSI,增强了LiFePO4电池的搁置性能以及提高了LiMn2O4循环寿命,但并未改善锂硫电池的充放电性能。
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