全固态离子液晶基快速锂离子传导通道的构筑及性能研究

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液晶是一种兼具液体流动性和晶体有序性的物质,离子液体是一种兼有阻燃性和热稳定性的绿色溶剂。离子液晶则结合了离子液体和液晶的双重特性表现出更优良的离子导电性、热稳定性、自组装性能和阻燃性,在智能显示窗、太阳能电池、锂离子二次电池等储能电子元器件领域表现出巨大的应用潜质,在全球范围内引起了众多研究者的兴趣。在众多离子液体中,咪唑类离子液体是研究较为广泛的一类,因此常被引入至离子液晶的分子设计与构筑中。但据我们所知,目前尚未见咪唑盐类离子液晶被应用于锂离子电池锂盐(即将锂阳离子引入至离子液晶分子中制备新型锂盐)的相关报道。基于此,本文以4,5-二羟甲基-2-苯基-1-氢咪唑、C12H25Br、H3BO3以及Li OH·H2O等为主要原料,通过咪唑环上的取代反应和阴离子交换合成了三种具有不同阴离子的离子液晶型锂盐,分别是Li-Br、Li-CF3SO3、Li-BOB,然后根据离子液晶的二维有序性(离子导电通道可控),对合成的锂盐通过不同温度条件下的等温结晶自组装来构筑一系列不同厚度的全固态离子液晶基“快速锂离子传导通道”,并系统地研究了该系列锂盐的物理性能及电化学性能,得到以下主要结论:(1)三种离子液晶型锂盐都具有较好的热稳定性,热分解温度达到210℃以上,且锂盐分子中阴离子半径越小,其热稳定性越好。三种锂盐的热稳定性均完全满足商业上锂离子电池对电解质热稳定性的要求。(2)三种离子液晶型锂盐通过等温结晶自组装的方法可以成功构筑锂盐中“二维快速锂离子传输通道”,并且在一定温度范围内,随着等温结晶温度的降低及等温结晶时间的延长,“二维锂离子快速传输通道”厚度逐渐增加。(3)三种离子液晶型锂盐中“二维快速锂离子传输通道”的成功构筑可以提高了锂盐电解质的电化学性能。具体而言,提高了离子电导率和锂离子迁移数,降低了锂离子迁移活化能,其中锂盐的离子电导率在30℃时可达到10-4 S cm-1数量级,在50℃时可达到10-3 S cm-1数量级;锂离子迁移数最大可增加至0.6。锂离子迁移活化能最低可降至0.22e V。此外,锂盐中锂离子“二维高速传输通道”的构筑不会进一步增加电解质的电化学稳定窗口,但始终可以保持在5.8V以上。
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