[发明专利]一种二次电池用离子液体及合成方法与应用

说明书

本发明提供一种二次电池用离子液体及合成方法与应用，所述二次电池用离子液体为含杂原子侧链的离子液体，离子液体中带正电荷的官能团为季铵盐、咪唑盐、吡咯盐、吡啶盐中的一种；侧链中Y为S，Y与带正电荷的官能团间为长度C1‑C3的烷基链，Y远离带正电荷的官能团侧为C1‑C3的醇或苄基；对阴离子X^‑为Cl^‑、Br^‑、I^‑、BF₄^‑或TFSI^‑(双三氟甲基磺酰亚胺)中的一种。本发明所述离子液体的结构可调性较好，可根据需求通过取代基的调变离子液体化学结构，离子液体的电导率在1mS/cm以上，能够满足新型二次镁电池对电导率的要求；采用亲核取代反应将巯基引入离子液体中，合成的含杂原子侧链的离子液体理论上对镁的络合能力适中，电池循环性能较好。

技术领域

本发明属于二次电池用离子液体领域；本发明涉及一种具有较高离子电导率、良好电化学稳定性、与电解质具有良好兼容性的含杂原子侧链离子液体的合成及其表征、测试。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和环境污染的日益加重，开发清洁环保、高效的可再生新能源已逐渐成为全球研究的热点。先进的储能和二次电池也成为其中不可或缺的重要组成部分。锂离子电池由于其较高能量密度、高循环寿命、绿色环保等优点已成为研究开发的热点。近几年，由于新能源汽车的兴起，锂离子二次电池得到了一定程度地应用。然而，目前锂离子电动汽车的续航里程较低(一般<300km)，成本较高。为了解决锂离子电池方面的问题，研究者们进行了大量的研究工作。一方面，通过优化电池阴极材料和电解液，逐渐提高锂离子电池的容量；另一方面，通过研究以金属锂为阳极的锂/空和(或)锂/硫电池具有较高的理论能量密度，表现出一定的应用前景。然而，金属锂的熔点低、活性较高，在大多数有机电解液中存在锂枝晶析出的问题，在大型动力电池中的应用存在严重的安全隐患，阻碍了其商业化进程。因此，开发具有更高比能量、无污染、成本低的新型化学电源体系成为当前研究的重要内容和先进的探索方向。

当前，以镁、铝、钠、钙等金属为阳极的新型二次电池逐渐成为目前研究的热点。尤其以金属镁作为阳极其理论比容量高达2205mAhg^-1，电极电势约为-2.37V(Vs.SHE)，具有良好的导电性、机械性能，较高的安全性，特别是其价格是锂的1/25，使得镁电池在安全性和成本两方面同时具有显著的优势，被认为有望用于电动汽车和储能系统的绿色二次电池。此外，我国的镁资源储量在世界上居于首位，相比其他国家，开发可充镁电池具有可观优势。

可充镁电池的研究历史与锂电池几乎相当，但和锂电池相比其发展却相当缓慢，主要原因是由于金属镁和锂在绝大多数极性非质子有机电解液中形成的表面膜性质不同。金属锂表面形成的钝化膜是锂离子的优良导体，而镁表面生成的钝化膜却是镁离子的不良导体，致使镁离子无法穿过这层钝化膜，从而限制了金属镁电化学活性。可以说，可充镁电池的每一步发展，都与电解液取得大的突破有关。

电解液作为电池的重要组成部分，被称为电池的“血液”，在电池阴、阳极之间起着输送离子和传导电流的作用，是提高电池电化学性能的关键因素之一。电解液包括电解质和溶剂两部分，关于提高电解质的性能研究者们做了大量的工作，并取得了一些进展，提出了新的体系，包括机格氏试剂及其衍生体系、有机镁卤铝盐体系、熔盐体系、固体电解质体系等。然而目前所用的溶剂大多数为乙腈、醚类和脂类，采用有机试剂大多数是低沸点、易挥发的，不仅会造成环境污染，而且会使得电解液由于溶剂的挥发导致其粘度增大，电导率降低。与此同时，有机试剂的电化学窗口比较窄，电化学稳定性比较差，造成电池的电压窗口比较小，性能较差。