[发明专利]利用碳酸二烷基酯季铵化来合成杂离子化合物

说明书

在先申请的参引

本申请要求2011年6月17日提交的美国临时申请No.61/498,308的优先权。

政府资金支持

本发明在能源部（Department of Energy）资助的合同No.DB-AR-00000038下由美国政府支持完成。政府在本发明中具有一定的权利。

技术领域

实施方式涉及利用碳酸二烷基酯作为主要反应物制造杂原子化合物的硫酸盐的方法。实施方式还涉及制造离子液体的方法，所述方法通过杂原子化合物的硫酸盐与盐反应以产生包含杂原子阳离子和所述盐的阴离子的离子液体，或通过阴离子交换以产生包含所述杂原子阳离子和所述阴离子的离子液体。实施方式还涉及所制造的盐作为离子液体和作为添加剂用于碱性电化学电池的用途。

背景技术

对于大多数电池的能量密度的显著损害是由电池的阴极造成的。对于使用例如锂或镍的电池化学就是如此。通常，氧化剂在阴极以低于阳极二至五倍的摩尔充电容量存储。另一方面，许多燃料电池使用空气中的氧作为氧化剂的来源。连续和几乎无限的氧化剂源的存在使得原则上可实现高能量密度。然而，由于蒸汽压力和体系平衡的复杂性问题（例如潮湿和膜的问题），氢和有机燃料的使用阻碍了高能量效率。金属-空气电化学电池能够结合电池的超高阳极容量和燃料电池的空气呼吸式阴极，以实现与现代能源需求相关的大量的能量密度。

金属-空气电池典型地包括金属燃料在其中被氧化的燃料电极、氧在其中被还原的空气电极，和用于提供离子导电性的电解质溶液。金属-空气电池的限制因素是电解质溶液的蒸发，特别是本体溶剂的蒸发，如水性电解质溶液中的水。由于要求空气电极是空气可渗透的以便吸收氧，所以它也可以允许溶剂蒸气如水蒸气从电池中逃脱。随着时间推移，由于该问题，电池变得不能有效地工作。事实上，在很多电池设计中，该问题使得电池在燃料被消耗之前不能工作。在二次（即，可充）电池中，该蒸发问题加剧，因为在电池的寿命内可以重复地再充燃料，而电解质溶液不是（缺少来自外部源的补充）。此外，在可充电电池中，水溶剂在再充电期间通常被氧化而析出氧气，这也可以消耗溶液。

还有与传统的水性电解质电池相关的其他问题，例如在充电过程中水的电解和自放电。在充电过程中，电流通过电池以还原位于燃料电极处的氧化燃料。然而，一些电流电解水导致燃料电极上的析氢（还原）和氧电极上的析氧（氧化），如下式所示：

(1)还原:2H₂O(l)+2e^-→H₂(g)+2OH^-(aq)

以及

(2)氧化:2H₂O(l)→O₂(g)+4H⁺(aq)+4e^-

以这种方式，水性电解质进一步从电池损失掉。此外，在还原氢时消耗的电子也不能用于还原燃料氧化物。因此，水性电解质的寄生电解(parasitic electrolysis)降低了二次电池的循环效率。

自放电可能源自电极中的杂质或与电解质的反应。通常来自电极中杂质的自放电是小的（每月2-3%的损耗）。然而，活性金属与水和/或溶解于水中的氧的反应可能是相当高的（每月20％至30％）。

为了弥补此问题，具有水性电解质溶液的金属-空气电池通常设计为包含相对高体积的电解质溶液。一些电池设计甚至引入用于从邻近储器补充电解质的装置以维持电解质水平。然而，任一方法均显著增加了电池的总体尺寸和电池重量，而没有提高电池性能（除了确保存在充足量的电解质溶液以弥补水或其他溶剂随时间的蒸发）。具体而言，通常由燃料特性、电极特性、电解质特性、和可用于反应发生的电极表面积的量来确定电池性能。但是电池中电解质溶液的体积通常对电池性能不具有显著的有利效果，并因此通常在基于体积和重量比率（功率比体积或重量和能量比体积或重量）方面只有降低电池性能。另外，过大的电解质体积可以在电极之间产生较大量的间距，这可以增加离子阻力及降低性能。