CN102544635A - 一种固液相转换混合型电解质及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种固液相转换混合型电解质及其制备方法和应用，其步骤如下：加入N-甲基咪唑和甲苯，N2保护下升温，缓慢滴加溴代正丙烷，继续反应，静置分层，弃上层甲苯溶液，将下层黄色液体用甲苯洗涤，真空干燥，得溴代1-甲基-3-丙基咪唑黄色粘稠液体；将KPF6饱和水溶液缓慢滴入，室温搅拌，静置分层，取下层油状液体粗产品，反复洗涤至水相无Br—，脱去残留水分，得到浅黄色1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体；称量LiPF6溶于液体中，配成混合型离子液体电解质。该电解质低温下为固相，高温下为液相，能够随着温度的变化在固相与液相之间相互转换。采用该电解质制成的锂空气电池不仅可以提高电池的能量密度，还可以减缓锂金属负极的腐蚀速度，延长电池的循环次数。

Description

一种固液相转换混合型电解质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电解质制备技术，特别涉及一种固液相转换混合型电解质及其制备方法和应用。 
背景技术
锂空气电池是一种用锂做阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池，它与锂离子电池相比具有更高的能量密度，因为其阴极活性物质O2可直接从周围空气中获得而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极，反应物不受限，锂空气电池的容量仅取决于锂电极，同时由于Li具有高的理论比容量，使锂空气电池的理论比能量能达到11,140Wh/kg，这一理论比能量高于目前所有常规的电源体系。另一个决定锂空气电池性能的主要因素是电解质，其中固体电解质和凝胶电解质可靠性好且不会出现电解液泄漏、比能量高、循环电压较宽，但是室温下大多数固体电解质的电导率和溶解度较低；有机电解液体系由于配制中使用了含水的有机溶剂而易引发负极锂的腐蚀，导致锂空气电池的比容量下降及充放电效率降低；而离子液体具有电化学窗口宽，不易挥发，可循环使用等优点，将新型离子液体应用在锂空气电池的电解质研究中，已成为目前多学科交叉的研究前沿。但是目前应用于锂空气电池的离子液体只停留在实验阶段，它不能随着温度的变化在固相与液相之间相互转换，纯液态的电解质使锂金属负极的腐蚀速度过快，降低了电池的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够随着温度的变化在固相与液相之间相互转换、减缓锂金属负极的腐蚀速度、延长电池的循环寿命的固液相转换混合型电解质及其制备方法和应用。
一种固液相转换混合型电解质，由1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体与六氟磷酸锂组成，所述的1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体与六氟磷酸锂的量比为10：1～10：5。
一种固液相转换混合型电解质制备方法，其具体步骤如下：
步骤一：在容器中加入0.8～1.2 mol N-甲基咪唑和80～120 mL甲苯， N2保护下升温至70～90 ℃，搅拌下缓慢滴加与N-甲基咪唑等物质的量的的溴代正丙烷，继续反应24～36 h，静置5～15 min分层，弃去上层甲苯溶液，将下层黄色液体用50～100 mL甲苯洗涤2～3次，60～80 ℃真空干燥8～12 h，得溴代1-甲基-3-丙基咪唑黄色粘稠液体；
步骤二：将与溴代1-甲基-3-丙基咪唑等物质的量的KPF6饱和水溶液缓慢滴入溴代1-甲基-3-丙基咪唑水溶液中，室温搅拌10～12 h，静置5～15 min分层，取下层油状液体粗产品，用去离子水反复洗涤至水相无Br—，真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体；
步骤三：称量3～6 g LiPF6溶于25～50 mL 1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体中，配成浓度为0.8～1.0 mol/L的混合型离子液体电解质。
上述的固液相转换混合型电解质在锂空气电池中的应用。
本发明的有益效果：本发明的电解质低温下为固相，高温下为液相；室温搅拌，搅拌的过程中颜色会逐渐变浅，电解质慢慢变成固相，升温到60～80℃以上又变成液相；能够随着温度的变化在固相与液相之间相互转换。采用该电解质制成的锂空气电池不仅可以提高电池的能量密度到4000 mAh/g以上，还可以减缓锂金属负极的腐蚀速度，延长电池的循环次数超过50次。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1 
步骤一：在配有球形冷凝管、恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，加入0.8 mol的N-甲基咪唑和80 mL甲苯，在N2保护下升温至70 ℃，搅拌下缓慢滴加0.8 mol溴代正丙烷，继续反应24 h，静置5 min分层，弃去上层甲苯溶液，将下层黄色液体用50mL甲苯洗涤2次，60℃真空干燥8h，得溴代1-甲基-3-丙基咪唑黄色粘稠液体。
步骤二：将0.8 mol的KPF6饱和水溶液缓慢滴入溴代1-甲基-3-丙基咪唑水溶液中，室温搅拌10 h，静置5 min分层，取下层油状液体粗产品，用去离子水反复洗涤至水相无Br—（用硝酸银溶液检测），真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体（[Pmim]PF6）。
步骤三：称量3g LiPF6溶于25 mL1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体[Pmim]PF6离子液体中，配成浓度为0.8 mol/L的混合型离子液体电解质；室温搅拌，搅拌的过程中颜色会逐渐变浅，电解质慢慢变成固相，升温到60 ℃以上又变成液相。
上述的固液相转换混合型电解质在锂空气电池中的应用，具体步骤为将制备好的固液相转换混合型电解质放置在锂金属负极与空气正极中间，通过密封壳体组装成锂空气电池。
实施例2
步骤一：在配有球形冷凝管、恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，加入1.0 mol N-甲基咪唑和100 mL甲苯，在N2保护下升温至80 ℃，搅拌下缓慢滴加1.0 mol溴代正丙烷，继续反应30 h，静置10 min分层，弃去上层甲苯溶液，将下层黄色液体用75 mL甲苯洗涤3次，70 ℃真空干燥10 h，得溴代1-甲基-3-丙基咪唑黄色粘稠液体。
步骤二：将1.0 mol KPF6饱和水溶液缓慢滴入物质的量为1.0 mol的溴代1-甲基-3-丙基咪唑水溶液中，室温搅拌11h，静置10 min分层，取下层油状液体粗产品，用去离子水反复洗涤至水相无Br—（用硝酸银溶液检测），真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体（[Pmim]PF6）。    
步骤三：称量4.5 g LiPF6溶于37.5 mL1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体[Pmim]PF6离子液体中，配成浓度为0.9 mol/L的混合型离子液体电解质；室温搅拌，搅拌的过程中颜色会逐渐变浅，电解质慢慢变成固相，升温到70 ℃以上又变成液相。
上述的固液相转换混合型电解质在锂空气电池中的应用，具体步骤为将制备好的固液相转换混合型电解质放置在锂金属负极与空气正极中间，通过密封壳体组装成锂空气电池。
实施例3
步骤一：在配有球形冷凝管、恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，加入1.2 mol N-甲基咪唑和120 mL甲苯，在N2保护下升温至90 ℃，搅拌下缓慢滴加1.2 mol溴代正丙烷，继续反应36 h，静置15 min分层，弃去上层甲苯溶液，将下层黄色液体用100 mL甲苯洗涤3次，80 ℃真空干燥12 h，得溴代1-甲基-3-丙基咪唑黄色粘稠液体。
步骤二：将1.2 mol KPF6饱和水溶液缓慢滴入溴代1-甲基-3-丙基咪唑水溶液中，室温搅拌12 h，静置15 min分层，取下层油状液体粗产品，用去离子水反复洗涤至水相无Br—（用硝酸银溶液检测），真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体（[Pmim]PF6）。    
步骤三：称量6 g LiPF6溶于50 mL1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体[Pmim]PF6离子液体中，配成浓度为1.0 mol/L的混合型离子液体电解质，室温搅拌；搅拌的过程中颜色会逐渐变浅，电解质慢慢变成固相，升温到80℃以上又变成液相。
上述的固液相转换混合型电解质在锂空气电池中的应用，具体步骤为将制备好的固液相转换混合型电解质放置在锂金属负极与空气正极中间，通过密封壳体组装成锂空气电池。

Claims (3)

1.一种锂空气电池固液相转换混合型电解质，其特征在于：该电解质由1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体与六氟磷酸锂组成，所述的1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体与六氟磷酸锂的量比为10：1～10：5。
2.一种锂空气电池固液相转换混合型电解质的制备方法，其特征在于：
（1）在容器中加入0.8～1.2 mol N-甲基咪唑和80～120 mL甲苯， N2保护下升温至70～90 ℃，搅拌下缓慢滴加与N-甲基咪唑等物质的量的精制的溴代正丙烷，继续反应24～36 h，静置5～15 min分层，弃去上层甲苯溶液，将下层黄色液体用50～100 mL甲苯洗涤2～3次，60～80 ℃真空干燥8～12 h，得溴代1-甲基-3-丙基咪唑黄色粘稠液体；
（2）将与溴代1-甲基-3-丙基咪唑等物质的量的KPF6饱和水溶液缓慢滴入溴代1-甲基-3-丙基咪唑水溶液中，室温搅拌10～12 h，静置5～15 min分层，取下层油状液体粗产品，用去离子水反复洗涤至水相无Br—，真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体；
（3）称量3～6 g LiPF6溶于25～50 mL1-甲基-3-丙基咪唑六氟磷酸盐离子液体中，配成浓度为0.8～1.0 mol/L的混合型离子液体电解质；室温搅拌，搅拌的过程中颜色会逐渐变浅，电解质慢慢变成固相，升温到60～80℃以上又变成液相。
3.按照权利要求1或2所述的固液相转换混合型电解质在锂空气电池中的应用。
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