离子液体与离子液体电解液及其在电池中的应用

文档序号：997714 发布日期：2020-10-23 浏览：10次 >En<

阅读说明：本技术 离子液体与离子液体电解液及其在电池中的应用 (Ionic liquid, ionic liquid electrolyte and application of ionic liquid electrolyte in battery ) 是由赵春荣赵金玲赵尚骞杨容弓胜民常增花张立庞静王建涛卢世刚于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电池技术领域,尤其涉及离子液体与离子液体电解液及其在电池中的应用。所述离子液体的结构式如式I所示：<Image he="360" wi="700" file="DDA0002561087200000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>具有上述结构式的离子液体不易挥发、耐热性高,且化学稳定性高；将该离子液体作为电池的电解液、或者固态电池的添加剂,能够大幅度提高离子传导,同时降低界面阻抗,从而有效提高电池的性能。(The invention relates to the technical field of batteries, in particular to ionic liquid, ionic liquid electrolyte and application of the ionic liquid electrolyte in a battery. The above-mentionedThe structural formula of the ionic liquid is shown as formula I: the ionic liquid with the structural formula is not easy to volatilize, has high heat resistance and high chemical stability; the ionic liquid is used as electrolyte of the battery or additive of the solid battery, so that the ionic conduction can be greatly improved, and the interface impedance is reduced, thereby effectively improving the performance of the battery.)

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及离子液体与离子液体电解液及其在电池中的应用。

背景技术

安全性是锂离子电池或锂电池研究中最重要的课题之一，在电池安全性方面，电解液的安全最为瞩目。然而，目前商品化的锂二次电池采用的有机电解液易挥发、易燃，不可避免的带来了安全隐患，所以为了提高锂电池的安全性能，开发固态电池已成为产业界的迫切追求。随着固态电解质的快速发展，目前已经开发出多种类型的固态电解质材料如硫化物电解质材料、氧化物电解质材料以及卤化物电解质材料等，其中，卤化物固态电解质由于其离子电导率高，制备方法简单(Angew.Chem.Int.Ed.2019，58，1-8)，与商业常用的如LCO、NMC等氧化物正极材料相兼容，从而有望实现全固态二次电池的商业应用价值。

在目前的锂离子电池或锂电池体系中，固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜，具有高安全性、高体积能量密度，同时与不同新型高比能电极体系(如锂硫体系、金属-空气体系等)具有广泛适配性，可进一步提升质量能量密度，从而有望成为下一代动力电池的终极解决方案。

全固态锂电池离子电导率低、界面阻抗过大和循环次数低等技术难点一直未取得关键性突破，短期内很难快速产业化。目前，无机电解质填料增强的聚合物基复合固态电解质有效地提高了固态电解质的锂离子电导率和改善了固态电解质与电极材料界面电阻(Nature，1998，394，456；Solid State Ionics，2009，180，1267；Nano Energy，2016，28，447)，但仍不能满足固态锂离子电池商业化发展的要求。

公开号为CN1050946A、CN10107645013A、CN108365260A的中国发明专利均采用准固态电解质取代全固态电解质，准固态电解质中包含固态电解质及含锂盐的液态电解液。公开号为CN110120545A、CN109768318A、CN109980290A、CN110048168A和CN110112421A的中国发明专利均制备固液混合蓄电池，其中，正极和负极表面均有一层缓冲胶层，胶层采用的据氧化乙烯PEO和聚碳酸亚丙酯等酯类溶剂；此外，吴峰等人将离子液体注入电解质层，制备半固态电池，电池的性能明显提高(Feng Wu，Chemistry of Materials，2016)。但上述这些溶剂和离子液体电解液均与卤化物固态电解质不稳定。

综上可知，现有技术中采用的离子液体或常用电解液，由于硫化物的化学不稳定性，易与极性溶剂反应，而卤化物固态电解质也易于离子液体和常规电解液发生反应，需要寻找与固态电解质稳定溶剂，制备新的电解液。由于室温下表现为液态的离子液体电解液具有不挥发、耐热性高、液态温度范围宽、不易燃性、及高化学稳定性，近年来离子液体作为“绿色液体”倍受瞩目，有关离子液体作为锂电池电解液的研究引起学术界的广泛兴趣和产业界的极大期待。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了离子液体与离子液体电解液及其在电池中的应用。

作为本发明的第一目的，提供了一种离子液体；具体而言，所述离子液体的结构式如式I所示：

本发明在研发过程中意外发现，具有上述结构式的离子液体不易挥发、耐热性高，且化学稳定性高；将该离子液体作为电池的电解液、或者固态电池的添加剂，能够大幅度提高离子传导，同时降低界面阻抗，从而有效提高电池的性能。

作为优选，所述离子液体不溶解固体电解质且不与固体电解质发生反应。

进一步地，所述的固态电解质为硫化物固态电解质、卤化物固态电解质、氧化物固态电解质中的一种或几种。

在具体的实施方式中，所述固态电解质为Li₃InCl₆、LiPSCl、Li₁₀GeP₂S₁₂中的一种或几种。

本发明中，固态电解质在离子液体中稳定，进而将该离子液体用于固态电池中能够有效提高固态电池的性能。

作为本发明的第二目的，提供了上述离子液体的制备方法；具体而言，所述制备方法包括：将锂盐加入有机溶剂中，在30～100℃下，搅拌至锂盐完全溶解。

作为优选，所述有锂盐为双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)，所述有机溶剂为异丙醚。

作为较佳技术方案，所述制备方法包括：将双氟磺酰亚胺锂加入异丙醚中，在60～80℃下，搅拌至双氟磺酰亚胺锂完全溶解；

所述双氟磺酰亚胺锂与所述异丙醚的摩尔比为0.5～1：0.5～1；优选为1:1。

采用上述方法制得的离子液体性能更佳。

作为本发明的第三目的，提供了一种离子液体电解液；具体而言，所述离子液体电解液包括上述的离子液体。

作为优选，所述离子液体电解液还包括添加剂；所述添加剂选自溶剂、其它离子液体、电解液中的一种或几种。

进一步地，所述离子液体与所述添加剂的摩尔比为1：0.1～1。

在具体的实施方式中，所述添加剂为异丙醚、碳酸丙烯酯(PC)或Li(G4)TFSI。

作为本发明的第四目的，提供了上述的离子液体或上述的离子液体电解液在电池中的应用；

作为优选，所述电池为锂离子电池或锂电池。

作为本发明的第五目的，提供了一种锂离子电池；具体而言，所述锂离子电池包括：含有正极活性物质的正极活性物质层、含有负极活性物质的负极活性物质层、以及在所述正极活性物质层和所述负极活性物质层之间形成的固态电解质层；

其中，所述正极活性物质层、所述负极活性物质层和所述固态电解质层中至少一层含有上述的离子液体或上述的离子液体电解液。

作为本发明的第六目的，提供了一种锂电池；具体而言，所述锂电池包含上述的离子液体或上述的离子液体电解液。

本发明的有益效果：

本发明提供的离子液体及离子液体电解液不易挥发、耐热性高，且化学稳定性高；将上述离子液体或离子液体电解液作为电池的电解液、或者固态电池的添加剂，能够大幅度提高离子传导，同时降低界面阻抗，从而有效提高电池的性能。

附图说明

图1为本发明中实施例12和对比例1的电池0.1C放电曲线。

图2为本发明中实施例13和对比例2的电池1C放电曲线。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。

若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

本实施例提供一种离子液体；所述离子液体的制备方法如下：

按锂盐LiFSI与异丙醚摩尔比为1：1的比例，在充满氩气的手套箱中(水分1ppm，氧气1ppm)，称取一定质量的异丙醚作为有机溶剂，然后，向其中加入对应锂盐LiFSI，60℃加热搅拌至锂盐LiFSI完全溶解，得到离子液体，使用电导率测试仪，测试离子液体的电导率。

实施例2