[发明专利]一种离子液体电解质材料

说明书

技术领域

本发明属离子液体材料技术领域，主要面向锂离子电池、电化学超级电容器、锂硫电池等电化学电池及电子器材技术领域的应用，也可在催化化学及有机合成等方面得到应用。

技术背景

离子液体(Ionic liquids)是完全由离子组成的非水液体，是室温或低温(＜100℃)下呈液态的盐，一般是由有机阳离子和无机阴离子所组成。与传统的有机溶剂、水、超临界流体等相比，多数离子液体具有不挥发，蒸气压低，液态温度范围宽(-100～300℃)，不燃、不爆炸、不氧化、高的热稳定性及电化学窗口宽和离子导电率高等显著特点，部分体系对水、对空气均稳定，易于制备、绿色环保。

根据离子液体的特性，目前其应用研究领域主要包括：催化；合成(是有机合成和聚合反应的良好溶剂)；分离提纯；电化学。在电化学应用研究方面，由于离子液体具有较大的稳定温度范围、较好的化学稳定性、较宽的电化学电位窗及良好的离子导电性，因而近年来作为新型电解质得到了科研人员的广泛重视和深入研究，在电池、电容器、电沉积等方面得到了一定的应用发展。特别是目前广泛使用的液体电解质由于含有易燃、易挥发的有机溶剂，其在充放电过程中释放出可燃气体，在某些非常规工作条件下(如大功率充放电、过充过放等)产生大量热会加速气体的产生，导致电池内压增高，气液泄漏，甚至起火爆炸，因而存在严重的安全隐患。同时液体电解质体系还存在热稳定性差、凝固点高等不足，在低温下电导率急剧下降，高温下电解液易分解变质。这些问题都严重制约了新型电池、电容器等体系特别是大功率性能方面的发展。研究发现，应用离子液体作为新型电解质溶液，在增强现有电化学体系的实用性并显著改善其安全性方面有着较好的应用前景，可突破现有化学电源应用的局限。

本发明的目的是为解决已有材料及相关技术的不足而提供一种安全性高、电化学性能优良的电解质材料。该电解质材料选用离子液体，其由有机硼酸酯锂或铝酸酯锂和室温下为固体的、高熔点的具有氨基甲酸酯结构的有机化合物混合制得，或添加适当比例的有机溶剂制得。近年来，有机硼酸酯锂作为一种新型的锂盐得到科研人员的广泛关注。其中双草酸硼酸锂(LiBOB)具有高的分解温度和稳定性的电化学性能，特别是较之传统锂盐，LiBOB的高温稳定性和石墨类负极材料表面的成膜性能显著。对应于石墨负极和锂镍基混合氧化物正极组成的电池，基于LiBOB的电解液在较高温度60℃或70℃下循环时没有显著的容量衰减。同时研究还发现，在尖晶石LiMnO₂、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂及LiFePO₄等几种锂离子电池正极材料中，在过充电条件下，使用LiBOB电解液所产生的热量低于使用LiPF₆的电解液。这表明LiBOB电解液能够有效提高正极和负极材料的热稳定性，显著提高锂离子电池的安全性。此外，作为新的一类有机硼酸酯锂：二氟草酸硼酸锂(LiODFB)因其独特的化学结构而具有更为优良的物化属性，与LiBF₄相比，LiODFB可生成性能稳定的SEI膜，且表现出良好的导电性，可满足锂离子电池的高温稳定性能和循环性；而较之LiBOB，LiODFB在常用有机溶剂如碳酸酯中的溶解性和配制成电解质的黏度均有了明显改善，可满足锂离子电池的低温应用和高倍率放电。在铝酸酯锂方面，LiAl[OCH(CF₃)₂]₄不仅显示出高的热稳定性和电化学稳定性，而且具有高的电导率和低的熔点。具有氨基甲酸酯结构的有机化合物不仅具有似水的物理特性，且因结构中不同电负性杂原子的引入，使此类分子结构的对称性进一步降低，化合物的电荷离域范围加大，电荷进一步分散，更有利于其同各种导电盐复合形成离子液体，并进一步提高体系的热稳定性。

根据离子液体作用原理，在离子化合物中，阴、阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴、阳离子的电荷数量及半径有关，通过选择适合的组成和配比，混合后阴、阳离子间形成配位键等相互作用，导致其分子间作用力减弱，破坏原有分子晶格能，因而熔点降低，在室温保持液态。基于上述理论，本发明选用具有优良物化属性的锂盐和具有良好配位作用的有机化合物，合成制备具有良好热稳定性、电化学性能的新型离子液体电解质材料，其具有热稳定性高、电导率高和电化学窗口宽等特点，并可有效改善过充电等非正常使用状态下电池的安全性能。同时作为一类新型离子液体材料，其在催化及有机合成等方面也具有潜在的应用价值。

发明内容