CN104103874B - 一种聚离子液体基固态电解质的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种聚离子液体基固态电解质的制备方法及其应用，将1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体、四氢呋喃和偶氮二异丁腈，在氮气保护下，搅拌，进行回流反应后，蒸馏除去溶剂，干燥后得到聚乙烯基咪唑；将聚乙烯基咪唑、四氟硼酸螺环季铵盐和异丙醇，惰性气体保护下，搅拌并加热，恒温反应，用乙酸乙酯析出固体物质，再用异丙醇溶解，干燥后得到黄色的固体聚离子液体材料，与双三氟甲基磺酸亚酰胺锂混合加入到乙醇溶液中，微波分散，静置取油状液体，洗涤后干燥，得到最终产品。优点是：该电解质为全固态，不存在挥发问题，能增加电池的稳定性，扩宽了电池的操作温度，提高了离子电导率，减缓了锂金属负极的腐蚀速度，延长了电池循环寿命。

Description

一种聚离子液体基固态电解质的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于电解质制备领域，特别涉及一种聚离子液体基固态电解质的制备方法及其应用。
背景技术
锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在阴极。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氧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，同时由于锂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。
目前，制约锂空气电池发展和应用的关键因素是由于锂空气电池是在敞开环境中工作，常规的有机液体电解质容易挥发，从而影响了电池的放电容量、使用寿命及电池的安全性；同时，在空气中使用时有机液体电解质体系容易吸收水分而导致锂负极腐蚀。与有机电解液相比，离子液体具有许多优异性能，如通过阴阳离子的设计可以制备憎水型的离子液体以缓解空气中H2O与金属锂的反应；而且离子液体高的热稳定性可以防止溶剂在工作过程中挥发而导致的电池容量下降。然而，离子液体也存在着黏度高的缺点，导致锂离子的电导率相对较低，并且氧气在离子液体中的溶解度和扩散系数较小，导致大电流放电性能相对较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可提高离子电导率、减缓锂金属负极的腐蚀速度、延长电池循环寿命的聚离子液体基固态电解质的制备方法及其应用。
一种聚离子液体基固态电解质制备方法，其具体步骤如下：
步骤一：在容器中加入0.4mol～0.6mol1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体、50mL～70mL溶剂四氢呋喃和0.4g～0.6g自由基引发剂偶氮二异丁腈，在氮气保护下，搅拌并加热至60℃～80℃，恒温进行回流反应8h～10h，蒸馏除去溶剂，60℃～80℃真空干燥24～48h至恒重，得到黄色固体聚乙烯基咪唑；
步骤二：在容器中加入0.1mol～0.2mol聚乙烯基咪唑、0.2mol～0.4mol四氟硼酸螺环季铵盐和80mL～120mL异丙醇，惰性气体保护下，搅拌并加热至70℃～90℃，恒温反应20h～30h，用乙酸乙酯析出固体物质，再用异丙醇溶解，重复析出溶解操作3次～5次，在70℃～90℃真空干燥24h～36h至恒重，得到黄色的固体聚离子液体电解质；
步骤三：将步骤二制得全部的聚离子液体电解质和0.5mol～1.0mol的双三氟甲基磺酸亚酰胺锂加入到150～200mL的乙醇溶液中，在400W～600W微波条件下分散20min～30min，静置分层，取油状液体，用去离子水反复洗涤3次～5次，真空干燥脱去水分，得到浅黄色憎水聚离子液体基固态电解质。
上述的聚离子液体基固态电解质材料在锂空气电池中应用。
本发明的有益效果：
（1）该电解质为全固态，不存在挥发问题，能增加电池的稳定性，扩宽了电池的操作温度，使电池更加安全以及具有更长的使用寿命和保存时间。
（2）在电解质的中，锂离子构筑在螺环基团内，形成包覆结构，在每个螺环基团内部都存在着锂离子，使其在电场驱动力下通过螺环基团在电解质内部可以实现往复传递，不仅可以提高离子电导率，还可以减缓锂金属负极的腐蚀速度以及正极侧放电产物的沉积堵塞，从而提高了电池的放电容量与循环性能。
（3）电解质中锂离子、螺环基团以及阴离子的浓度分布合理，使得锂离子在电池内部传导的同时，可以降低锂金属非均匀沉积的电场驱动力，在一定程度上抑制负极锂枝晶的生长；采用该电解质制成的锂空气电池能量密度达到3000mAh/g，电池连续工作可以超过75天，循环寿命超过60次。
具体实施方式
实施例1
步骤一：依次将0.4mol1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体、50mL溶剂四氢呋喃和0.4g自由基引发剂偶氮二异丁腈装入500mL烧瓶中，在氮气保护下，磁力搅拌器搅拌并加热至60℃，恒温进行回流反应8h后，蒸馏除去溶剂，60℃真空干燥24h至恒重，得到黄色固体聚乙烯基咪唑；
步骤二：取步骤一合成的0.1mol聚乙烯基咪唑、0.2mol四氟硼酸螺环季铵锂和80mL异丙醇加入至500mL四口烧瓶中，惰性气体保护下，搅拌并加热至70℃，恒温反应20h后，用乙酸乙酯析出固体物质，再用异丙醇溶解，重复析出溶解操作3次，70℃真空干燥24h至恒重，得到黄色易潮解的固体聚离子液体电解质；
步骤三：将步骤二制得全部的聚离子液体电解质和0.5mol的双三氟甲基磺酸亚酰胺盐加入到150mL的乙醇溶液中，400W微波条件下分散20min，静置20min分层，下层油状液体为粗产品，用去离子水反复洗涤3次，真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色憎水聚离子液体基固态电解质。
聚离子液体固态电解质在锂空气电池中的应用，具体步骤为将制备好的锂空气电池聚离子液体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，测试电化学性能，测试结果如表1所示。
实施例2
步骤一：依次将0.6mol1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体、70mL溶剂四氢呋喃和0.6g自由基引发剂偶氮二异丁腈装入500mL烧瓶中，在氮气保护下，磁力搅拌器搅拌并加热至80℃，恒温进行回流反应10h，蒸馏除去溶剂，80℃真空干燥48h至恒重，得到黄色固体聚乙烯基咪唑；
步骤二：取步骤一合成的0.2mol聚乙烯基咪唑、0.4mol四氟硼酸螺环季铵盐和120mL异丙醇加入至500mL四口烧瓶中，惰性气体保护下，搅拌并加热至90℃，恒温反应30h，用乙酸乙酯析出固体物质，再用异丙醇溶解，重复析出溶解操作5次，90℃真空干燥36h至恒重，得到黄色易潮解的固体聚离子液体电解质。
步骤三：将步骤二制得全部的聚离子液体电解质和1.0mol的双三氟甲基磺酸亚酰胺锂加入到200mL的乙醇溶液中，500W微波条件下分散30min，静置30min分层，下层油状液体为粗产品，用去离子水反复洗涤4次，真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色憎水聚离子液体基固态电解质。
聚离子液体固态电解质在锂空气电池中的应用，具体步骤为将制备好的锂空气电池聚离子液体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，测试电化学性能，测试结果如表1所示。
实施例3
步骤一：依次将0.5mol1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体、60mL溶剂四氢呋喃和0.5g自由基引发剂偶氮二异丁腈装入500mL烧瓶中，在氮气保护下，磁力搅拌器搅拌并加热至70℃，恒温进行回流反应9h，蒸馏除去溶剂，70℃真空干燥36h至恒重，得到黄色固体聚乙烯基咪唑；
步骤二：取步骤一合成的0.15mol聚乙烯基咪唑、0.3mol四氟硼酸螺环季铵盐和100mL异丙醇加入至500mL四口烧瓶中，惰性气体保护下，搅拌并加热至80℃，恒温反应25h后，用乙酸乙酯析出固体物质，再用异丙醇溶解，重复析出溶解操作4次，80℃真空干燥30h至恒重，得到黄色易潮解的固体聚离子液体电解质。
步骤三：将步骤二制得全部的聚离子液体电解质和0.75mol的双三氟甲基磺酸亚酰胺锂加入到175mL的乙醇溶液中，600W微波条件下分散25min，静置25min分层，下层油状液体为粗产品，用去离子水反复洗涤5次，真空干燥脱去残留水分，最终得到浅黄色憎水聚离子液体基固态电解质；其结构示意图为：
其中TFSI为，x=4，y=9。
聚离子液体固态电解质在锂空气电池中的应用，具体步骤为将制备好的锂空气电池聚离子液体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，测试电化学性能，测试结果如表1所示。
该憎水聚离子液体基固态电解质采用红外检测，检测结果如下：3500~2800cm-1波数范围内可以明显观察到C–H键的伸缩振动吸收谱带,3221cm-1为芳环C-H伸缩振动吸收峰，3092cm-1为直链烷烃的C-H键的伸缩振动吸收峰，2970cm-1为直链烷烃-CH2的伸缩振动吸收峰，1588cm-1，1201cm-1分别为咪唑环C-C，C-N键的面内伸缩振动吸收峰和咪唑环C-H键的面内变形振动峰，1249cm-1为咪唑环内的伸缩振动峰，778cm-1为咪唑环的临位二取代，664cm-1咪唑嗡正离子环上C-H键的面外弯曲振动峰,1284cm-1为S=O键的伸缩振动峰,1193cm-1为C-F键的伸缩振动峰，745cm-1是S-N键的伸缩振动峰，1169cm-1是S-C键的伸缩振动峰。
表1不同电极超级电容器的电化学性能
电极 能量密度 连续工作时间 循环寿命
实施例1 (2880mAh /g) 67天 53次
实施例2 (3070mAh /g) 76天 61次
实施例3 (3020mAh /g) 75天 60次

Claims (2)

1.一种聚离子液体基固态电解质制备方法，其特征是：具体步骤如下：
步骤一：在容器中加入0.4mol～0.6mol1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体、50mL～70mL溶剂四氢呋喃和0.4g～0.6g自由基引发剂偶氮二异丁腈，在氮气保护下，搅拌并加热至60℃～80℃，恒温进行回流反应8h～10h，蒸馏除去溶剂，60℃～80℃真空干燥24～48h至恒重，得到黄色固体聚乙烯基咪唑；
步骤二：在容器中加入0.1mol～0.2mol聚乙烯基咪唑、0.2mol～0.4mol四氟硼酸螺环季铵盐和80mL～120mL异丙醇，惰性气体保护下，搅拌并加热至70℃～90℃，恒温反应20h～30h，用乙酸乙酯析出固体物质，再用异丙醇溶解，重复析出溶解操作3次～5次，在70℃～90℃真空干燥24h～36h至恒重，得到黄色的固体聚离子液体电解质；
步骤三：将步骤二制得全部的聚离子液体电解质和0.5mol～1.0mol的双三氟甲基磺酸亚酰胺锂加入到150mL～200mL的乙醇溶液中，在400W～600W微波条件下分散20min～30min，静置分层，取油状液体，用去离子水反复洗涤3次～5次，真空干燥脱去水分，得到浅黄色憎水聚离子液体固态电解质。
2.如权利要求1所述的聚离子液体基固态电解质在锂空气电池中应用。
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