[发明专利]一种吡咯烷类离子液体及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种吡咯烷类离子液体及其制备方法和应用。所述的离子液体的结构式如下：其中，R₁为CH₂(CH₂)_aO(CH₂)_bCH₃，a为0或1，b为0或1；R₂为CH₂(CH₂)_cCN，c为0或1；Y^‑为BF₄^‑，PF₆^‑，TFSI^‑，FSI^‑或N(CN)₂^‑。该吡咯烷类离子液体在吡咯烷上同时引入醚基和腈基两种官能团；制备中通过两步法，在吡咯环上引入了醚基，降低离子液体的粘度；引入了腈基，提高离子液体的电化学窗口和电化学稳定性。本发明将该吡咯烷类离子液体作为电解液添加剂，将其应用于以三元材料(NCM622)为正极材料的锂离子电池中，具有良好的安全性能和电化学性能。

技术领域

本发明涉及的是离子液体的技术领域，主要研究新型吡咯烷类离子液体、离子液体电解液及其在锂离子电池电解液中的应用。

背景技术

化石能源在给人类带来社会进步的同时，也带来了化石能源的逐渐衰竭以及消耗过程中造成的环境恶化等问题，因此改变能源结构、寻求新型的环境清洁替代能源迫在眉睫。在当前的研究中越来越关注可持续能源的储存与转换。锂离子电池作为优异的能量转换、储存系统，在便携式电子设备、混合动力汽车等新能源领域有广泛的应用。目前电解液中的主要成分是以碳酸酯基居多的有机溶剂，而这些有机溶剂普遍具有高蒸气压、低闪点，易燃的特征，当电池处于过充、高温或挤压等外界环境下，电极材料极易与有机溶剂发生剧烈的副反应，放出大量的热和气体，导致热失控，进而引发电池的燃烧、爆炸。因此解决锂离子电池的安全性已势在必行。此外，随着现代科学技术的不断发展，高能量密度将是锂离子电池发展的另一个必要点。

正极材料是锂离子电池的重要组成部分。因此，对正极材料的改性及选择是提高电池能量密度最直接的。三元材料(NCM)是一种新型正极材料。它综合了LiCoO₂、LiNiO₂和LiMnO₂三种材料的优点，由于Ni、Co和Mn之间存在明显的协同效应，因此NCM的性能好于单一组分的层状正极材料，而被认为是最有应用前景的新型正极材料之一。三种元素对材料电化学性能的影响也不一样，一般而言，Co能有效稳定三元材料的层状结构并抑制阳离子混排，提高材料的电子导电性和改善循环性能；Mn能降低成本和改善材料的结构稳定性和安全性；Ni的存在有助于提高能量。在三元材料中，根据各元素配比的不同，可按镍钴锰顺序分为NCM333、NCM424、NCM523、NCM622、NCM811等。

离子液体具有热稳定性好、溶解能力强、零蒸汽压(不易挥发)、非低温下粘度合适、电导率较高、易于回收等特点，引起电化学领域的广泛关注，可以满足锂离子电池安全性要求。至今，已应用于锂二次电池电解液中的离子液体主要有咪唑类、季铵盐类、吡咯类和哌啶类等。随着离子液体的研究不断增加，其广泛应用于有机合成、催化、萃取分离、电化学等各个领域。然而，在锂离子电池中作为安全电解质使用时，单独使用离子液体的电解质与锂负极的循环稳定性差，倍率性能差。研究表明，将离子液体与有机液体电解质以一定的比例混合能获得更好的性能。此外，将不同的官能团代替烷基引入到阳离子中，设计合成出功能化的离子液体是其研究的主要方向之一。

因此，开发出一种新型功能化的吡咯烷类离子液体是非常必要的。将具备特异功能离子液体作为电解液添加剂添加到以三元材料为正极材料的锂离子电池中，提高电池安全性、能量密度和循环性能。

发明内容