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氟化吡咯烷鎓盐离子液体——用于高压锂离子电池
发布时间:2020-09-03     作者:harry   分享到:

随着现代便携式电子产品和电动汽车需求的增加,锂离子电池(LIB)因其众多优点而成为发展更快、更有发展前景的电池电解质。然而,为了提高电动汽车的行驶里程,需要提高下一代电动汽车的能量密度。同时,为了确保LIB的可靠性,需要提高下一代LIB的性。因此,为了满足这两个要求,开发一种高电压、不易燃的电解质至关重要。

与传统的有机碳酸盐相比,离子液体(ILs)具有结构可调、较宽的电化学窗口、不易燃性和的热稳定性。因此,ILs被认为是一种很有前途的电解质溶剂,并引起了世界各国的广泛关注。有报道称,ILs可以使锂电池的化学成分发挥其应有的作用,在理想情况下,它们也有可能改善其性能,特别是在高压和高温下的循环稳定性方面。阳离子结构对ILs的物理和电化学性质也有很大的影响。以1-烷基-1-甲基吡咯烷为基础的ILs为例,随着烷基侧链变长,其粘度随电化学窗口的增大而增大。基于此,可以通过改变ILs的阴阳离子的结构来系统地调整其物理和电化学性质。

美国阿贡国家实验室化学科学与工程部的张正成等人采用简便的一步法合成了两种新型含氟烷基官能团化的阳离子,即1-甲基-1-丙基-3-氟吡咯烷双(氟甲磺酰)亚胺盐(PMpyrf-FSI)1-甲基-1-(2,2,3,3,3-五氟丙基)吡咯烷双(氟甲磺酰)亚胺盐(PfMpyrFSI)。用LiFSI盐溶解后,新型IL-基电解质在LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC532)阴极锂电池中的电池性能表明其具有较高的电压稳定性。

传统的离子液体的合成方法包括两个步骤如图1a所示:(1)碱化反应与卤化烷基叔胺形成季铵盐;(2)Li盐阴离子交换形成季铵盐进而形成目标离子液体。对于锂电池应用,溶剂纯度是良好循环性能的关键。该方法通过季铵化步骤引入了潜在的卤化污染物。而作者报道了一种新的IL简便一步合成方法,如图1b所示。这种方法提供了非常高纯度的IL-基电解质(图2),这对LIB的长期稳定至关重要。

作者用循环伏安法测定了氟化ILs1 M LiFSI盐中溶解的电化学稳定性。1 M LiFSI PMpyrf-FSI电解液具有较宽的电化学窗口和较高的阳极稳定性,更高可达5.5 V vs. Li+/Li(3a),这略高于未修饰的原始IL电解液。且PMpyrf-FSI的电导率高于PfMpyr-FSI

此外,经过粘度测试,随着LiFSI盐浓度的增加,PMpyrf-FSIPfMpyr-FSI的电导率降低,粘度增加,这与之前文献中盐浓度对离子液体电导率和粘度的影响一致。



(图片来源:Chem. Commun.
本文所采用的一步合成法在使用传统阴离子转化法的同时,完全消除了卤化物的污染。并且,将LiFSI盐浓度提高到4 M后,NMC532/Li电池和NMCC532/石墨电池的产能和循环稳定性均有所提高。这种功能化离子液体的简化合成为电动车应用领域的大规模、超高纯度和低成本的IL-基电解质的合成和应用提供了机会。

原文链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/CC/D0CC02184A
原文作者:
Qian Liu, Chia-Wei Hsu, Trevor L. Dzwiniel, Krzysztof Z. Pupek and Zhengcheng Zhang
DOI: 10.1039/d0cc02184a

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