聚功能化离子液体固体电解质的制备与性能

课题拟以含有可聚基团（如烯丙基、丙烯酸酯基等）、一个或多个侧链烷基末端含有醚键（-O-）的烷基季铵为阳离子，与化学和电化学稳定性好、配位能力弱的FSIˉ、[RFSO2NSO2F]ˉ 等含氟磺酰基（FSO2-）阴离子组成的离子液体单体为基础，设计合成一系列季铵型聚功能化离子液体，再将这些聚合物离子液体与新型锂盐LiFSI、LiFNFSI等复合制备成锂（离子）二次电池的电解质。通过对所合成的聚合物离子液体及其复合电解质各种理化和电化学性能、以及原型电池性能的表征，研究离子液体结构与电解质材料离子导电性能的关系、锂离子在聚合物离子液体电解质中的迁移规律、以及固体电解质材料与电极的相容性等，以期筛选出化学和电化学稳定性好、室温离子导电率高，在高能锂（离子）二次电池中具有潜在应用价值的固体聚合物电解质材料，为聚合物离子液体固体电解质应用于全固态锂（离子）二次电池提供理论基础和科学依据。

离子液体聚合 (PILs)，将离子液体的优点（如不易挥发，化学与热稳定性好，电化学性能好等）与聚合物电解质的质量轻、不易漏液、安全性好、易加工成型等优点相结合,可作为一种安全的新型固体电解质材料。本课题充分借助PILs结构可设计性高的优势，深入探讨了PILs的构效关系。以弱配位的双(氟磺酰)亚胺（FSI−）和双(三氟甲基磺酰)亚胺（TFSI−）等为阴离子，以一个侧链含有碳氢烷基或醚基的不饱和季铵为阳离子构筑系列新型季铵型PILs，系统研究了季铵阳离子侧链结构对离子液体单体及其聚合物的基础理化性质的影响。以成膜性能良好、电导率较高的P[C5O2NMA.11]FSI)和P[C5O2NMA.11]TFSI为聚合物基体，与相应的锂盐 (LiFSI、LiTFSI等) 共混，制备具有锂离子导电能力的锂盐/PILs电解质。研究结果显示：(1) 所制备的季铵型PILs的热分解温度均大于250 oC，显示出良好的热稳定性；(2) 在季铵阳离子侧链结构中引入醚基，可以显著降低PILs的Tg，改善其成膜性能；(3) 当醚基长度为2～3个氧乙烯单元(–CH2CH2O–)时，PILs在30 oC下的电导率可达到4.0 × 10−6 S cm−1；(4) LiFSI/P[C5O2NMA.11]FSI电解质的Tg低于相同锂盐浓度的LiTFSI/P[C5O2NMA.11]TFSI电解质，并且随着锂盐浓度的增加Tg逐渐上升；(5) 当锂盐浓度相同时，LiFSI/P[C5O2NMA.11]FSI电解质的电导率显著高于LiTFSI/P[C5O2NMA.11]TFSI电解质，前者30 oC时的电导率可达到1.4 × 10−5 S cm−1，60 oC电导率超过10−4 S cm−1；(6) LiFSI/P[C5O2NMA.11]FSI电解质的氧化电位大于4.5 V，满足4 V级二次锂电池的要求；(7) LiFSI/P[C5O2NMA.11]FSI电解质对金属锂具有较好的化学稳定性，采用LiFSI/P[C5O2NMA.11]FSI电解质组装的金属锂对称电池在60 oC储存30天后，界面阻抗仅为8.3 × 102 Ω cm2。研究结果可为新型锂 (离子) 二次电池SPEs材料的设计与开发提供理论基础和科学依据。