[发明专利]季铵盐类离子液体及其制备方法和应用

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种锂离子电池电解液领域，尤其涉及一种季铵盐类离子液体及其制备方法，同时还涉及一种使用该季铵盐类离子液体的电解液及其配制方法和锂离子电池。

【背景技术】

锂离子电池具有容量高、无记忆效应、体积小、重量轻和无污染等优点。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。因而被广泛应用于军事领域、移动通讯装置、计算机、以及电动汽车等。锂离子电池的所存储的能量随电压的升高而增大，因而，提高所施加的电压可以大幅度提高锂离子电池的比能量。

然而，采用两步法制备的离子液体不可避免的都会引入卤素元素，这些卤素杂质离子会导致离子液体的稳定性降低，熔点升高和电化学窗口变窄等缺点，从而不利于其应用于锂离子电池的电解液。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种不含卤素元素的季铵盐类离子液体及其制备方法。

一种季铵盐类离子液体，化学结构式如下：

其中，R为碳原子数为1～4的烷基，Y^-为CF₃SO₃^-或CF₃CO₂^-。

该季铵盐类离子液体在室温或接近室温的条件下完全由离子组成，电导率高、熔点低、电化学窗口宽、不挥发、不可燃、热稳定性好且不含有卤素杂质无毒，特别是分解电压高，高电压条件下难以分解，从而可以应用在制造高比容量的超级电容器或锂离子电池领域。

一种季铵盐类离子液体的制备方法，包括如下步骤：

在惰性气氛保护下，将三乙胺与烷基化试剂RY按摩尔比1∶1～1.2∶1添加在有机溶剂中，所述有机溶剂与所述三乙胺的质量比为0.8∶1～1.4∶1，在温度为40℃～80℃条件下搅拌反应5小时～30小时，然后除去过量的所述三乙胺和所述有机溶剂，收集无色液体，洗涤后，真空干燥得到季铵盐类离子液体，所述烷基化试剂RY为三氟甲磺酸甲酯、三氟甲磺酸乙酯、三氟甲磺酸丙酯、三氟甲磺酸丁酯、三氟乙酸甲酯、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸丙酯或三氟乙酸丁酯，其化学结构式如下：

其中，R为碳原子数为1～4的烷基，Y^-为CF₃SO₃^-或CF₃CO₂^-。

在优选的实施方式中，所述有机溶剂为氯仿、四氢呋喃或乙腈。

在优选的实施方式中，步骤除去过量的所述三乙胺和所述有机溶剂具体为：通过减压蒸馏的方式除去过量的三乙胺和所述有机溶剂，所述减压蒸馏的条件为温度为80℃～150℃，压强为0.1Pa～5Pa。

在优选的实施方式中，所述洗涤步骤具体为：所述真空干燥的步骤具体为，真空干燥的温度为60℃～100℃，真空度为0.01MPa。

上述制备过程采用一步法效率高、无污染、有利于季铵盐类离子液体的大规模工业化生产。

同时，还有必要提供一种使用上述不易分解、稳定性较好的离子液体的电解液及其配制方法和锂离子电池。

一种电解液，包括季铵盐类离子液体、锂盐及有机溶剂，

其中，所述季铵盐类离子液体的结构式如下：

R为碳原子数为1～4的烷基，Y^-为CF₃SO₃^-或CF₃CO₂^-；

所述锂盐与所述有机溶剂的质量比范围为1∶20～1∶10；

所述季铵盐类离子液体与所述有机溶剂的质量比范围为1∶10～1∶1。

在优选的实施方式中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合溶液，其中，所述碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的体积比为1～3∶3～7∶1。

一种电解液的配制方法，包括如下步骤：

在惰性气氛保护下，取碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的体积比为1～3∶3～7∶1混合作为有机溶剂，按所述季铵盐类离子液体与所述有机溶剂的质量比范围为的比例向所述有机溶剂中加入季铵盐类离子液体，在温度为20℃～50℃条件下搅拌混合均匀，然后加入锂盐，所述锂盐为四氟硼酸锂，六氟磷酸锂，三氟甲磺酸锂或二(三氟甲基磺酰)亚胺锂，所述锂盐与所述有机溶剂的质量比范围为1∶20～1∶10，得到所述电解液，其中，所述季铵盐类离子液体的结构式如下：