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本文合成了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸(EMIBF4)和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸(BMIBF4)两种烷基咪唑类离子液体,并测试了它们的物理和电化学性质。以EMIBF4、BMIBF4两种离子液体分别和1.0mol/L的LiPF6作为电解质,并加入5%亚乙烯碳酸酯(VC),制备了石墨/钴酸锂实验电池。
EMIBF4的DSC曲线说明了其玻璃化温度、结晶温度和熔点分别为-96℃、-60℃和7℃。而BMIBF4不存在结晶温度,它的玻璃化温度在-92℃。两种离子液体都有良好的热稳定性,在锂离子电池的大部分应用温度范围内都是液体。离子液体的粘度随着温度的升高明显下降,而锂盐的加入又使之大幅升高。电导率随温度地升高而上升,随锂盐的加入而下降。但是,在0℃以上两种离子液体的电导率值都在锂离子电池应用要求的范围之内(1~2mS/cm)。
以银丝作为参比电极,在铂电极上进行的线性伏安扫描(50mV/s)说明了电化学窗口都在4.3V左右。两个离子液体都有足够高的阳极电位,大约在+2.7V Vs。Ag(+5.4V Vs.Li+/Li,),阴极极限电位大约在-1.6V Vs.Ag(+1.1V Vs.Li+/Li)。这个阴极极限电位对于石墨的插锂电位来讲是正的,所以从循环耐久性的观点来说,这两个离子液体不能用于直接使用石墨作为阴极的锂离子电池。离子液体中加入了VC添加剂,可以优先被还原,在石墨电极表面形成固体电解质界面(SEI)膜,以防止电解质被还原。
使用商品钴酸锂(LiCoO2)和中间相碳微球(CMS)分别作为正、负极材料,离子液体中加入1mol/L LiPF6和5wt%的VC作为电解质制备了实验电池。在C/15的充放电速率下,EMIBF4电池首次充放电循环的库仑效率很低,但是随后循环的库仑效率都在90%以上,放电容量在50个循环后从开始的102mAh/g下降到91mAh/g。良好的库仑效率说明了EMIBF4电池有稳定循环能力。BMIBF4电池在开始几个循环也有一定的充放电容量,但是10个循环以后就开始快速的下降。
EMIBF4电池的电池容量C/5时只有C/15时的80%,这是因为在更高的充放电电流密度下,EMIBF4的高粘度导致电解质中锂离子得不到及时补充。