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电化学储能
点不着、电不离,才是好的离子液体复合电解质
 最后更新:2019-08-30  作者:佚名  浏览:54次

  自1991年索尼在市场上推出了18650电池之后,锂离子电池(LIBs)得到迅速发展。经过二十多年的研究,锂离子电池的能量密度已经增加了一倍多,并且适应了各类尺寸和形状。与此同时,锂离子电池的快速发展也带动了便携式电子设备行业的发展。近年来,锂离子电池的应用范围已经逐渐扩展到混合动力汽车和全电动汽车市场中。新领域的应用也对锂离子电池的能量密度、安全性、工作电位等提出了新的要求。因此,开发和使用新型材料电极和电解质迫在眉睫。

  在开发创新、低成本和无害环境的纳米结构阴极材料的道路上,锂离子嵌入过渡金属中心的富锂层状氧化物引起了人们的广泛关注。其中,Li[NiMnCo]O2基(LiR NMC)的电极系统以其高工作电位(4.8 V)和高充放电电容(240 mAh g-1)受到科研人员的青睐。基于此,来自意大利都灵理工大学Claudio Gerbaldi课题组通过高温及紫外线诱导的方法,开发合成了一系列聚合物以及室温离子液体(RTILs)的复合电解质体系,包括各种固体电解质、凝胶电解质和复合聚合物电解质,并对其物理、化学和电化学性质进行了表征。

  研究人员首先选择室温离子液体N-甲基-N-丙基吡咯烷酮双(三氟甲磺酰)亚胺盐(PYR13TFSI)、双(三氟甲磺酰)亚胺锂盐、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)以及碳酸亚乙烯酯(VC)作为原料,如表1所示,混合制备成了一系列复合电解质。

表1. 制备的一系列复合电解质

  研究人员通过对制备的复合电解质进行电化学行为研究发现(结果如图2所示),由PYR13TFSI和EC/DMC按50:50比例组成的RT-2电解质在整个温度范围内具有最高的离子电导率。此外,在−30 °C时,RT-2的离子电导率在1 mS cm−1以上,这表明即使在低温环境下,该电解质的离子迁移率也很高。而RT-1的离子电导率在10 °C以下突然下降,研究人员解释:这是由于其电导率受其在低温下的高粘度和结晶度的影响,PYR13TFSI在12 ℃以下会开始结晶。

图1. 该系列复合电解质不同温度下的电导率

  随后,研究人员以不同的RTIL基混合物为电解质,将制备的LiR NMC阴极材料进行了循环伏安研究,结果如图2所示。可以看出在四种复合电解质中,RT-FEC-4的性能最佳。在对阳极电位的第一次扫描中,两个占主导地位的峰出现在4.2 V和4.6 V以上,而在随后的循环中,3.6 V左右出现一个小峰,归因于Ni2+到Ni4+的氧化过程。

图2. 不同的RTIL基混合物电解质下的循环伏安曲线

  除电化学行为研究外,研究人员还对研究中的不同电解质体系进行了可燃性试验。图3结果表明,在用高温喷火枪对以EC:DMC为基础的有机液体电解质与基于RTIL-FEC-4的电解质的液态电解质和聚合物电解质进行点火对比时发现,后两者10 s后仍无法燃烧,表明该电解质材料良好的阻燃特性。

图3. 不同电解质体系的可燃性试验

  综上所述,本文研究人员制备了一系列基于可行的、疏水的、高性能的RTILs的新型电解质,适合于基于聚合物的锂电池的使用。所制备的复合电解质在-40~100 °C温度范围内具有很高的离子电导率。此外,它们还拥有非常宽的电化学窗口和良好的阻燃特性,是一类非常理想的新型电解质材料。