锂二次电池用新型低熔点熔融盐电解质的制备、性质与结构的研究

Lithium secondary battery intermediate-low temperature molten salt electrolytes are a kind of eutectic mixtures of multiple alkali metal salts. This kind of electrolytes, without solvent molecules or organic cations, is highly nonflammable and thus advantageous to enhance the safety of lithium secondary batteries. They can be considered as important complementary of the current room temperature lithium battery electrolyte system in the intermediate-low temperature regions, providing new selections for the development of lithium secondary batteries. Exploring molten salt electrolytes with lower eutectic temperatures is of great significance for their developments and applications. This project plans to optimize the anion structure by improving the conformational degrees of freedom or enhancing the conjugated structures, and determine the phase diagrams of the multiple alkali metal salt mixtures, to prepare the molten salt electrolytes with low eutectic temperatures. The effects of the anion structures and cation compositions on the properties will be investigated by a systematic characterization of the binary and ternary eutectic mixtures, in terms of fundamental physicochemical and electrochemical properties, crystal structure analyses and applications in lithium secondary batteries. The optimization mechanism of these two anion structure modification methods will also be concluded. This project will provide theoretical fundamental and scientific insight for exploring molten salt electrolytes with low melting points, high thermal and electrochemical stabilities, and high lithium-ion conductivities. This project will also offer material and technique support for the development of new-type lithium secondary batteries.

锂二次电池用中低温（60-150°C）熔融盐电解质是一类多元碱金属盐共熔混合物。该类电解质不含溶剂分子与有机阳离子，具有极高的难燃性，可有效提高锂二次电池的安全性，并可作为现有的室温锂电池电解质体系在中低温范围的重要拓展，为锂二次电池的发展提供新的选择。开发具有更低共熔温度的体系，是发展新型熔融盐电解质材料、拓展其应用的重要课题。本申请拟通过提高构象自由度和优化共轭结构的方法对阴离子进行结构优化，并通过混合其碱金属盐绘制多元相图，制备具有低共熔温度的熔融盐电解质。继而通过物化与电化学性质表征、晶体结构解析和用于锂二次电池的性能评价，系统研究熔融盐电解质的性能与阴离子结构及阳离子组成的关系，阐明阴离子结构优化对熔融盐电解质性能的改善机制。本项目将为开发具有低熔点、良好热稳定性与电化学稳定性、高锂离子电导的新型熔融盐电解质体系提供理论基础和科学依据，为发展新型锂二次电池提供材料支持和技术储备。

低温熔融盐电解质是一类新型高安全性电解质材料。开发具有低熔点、高稳定性、高离子电导的新型熔融盐电解质材料，拓展其应用领域，是发展高安全性储能二次电池体系的重要课题。在项目支持下，我们通过提高离子链段自由度和降低离子对称性的方法，对熔融盐电解质的离子结构进行优化，设计合成了系列新型低温熔融盐电解质，并通过物化与电化学性质表征和晶体结构解析，系统研究了该类熔融盐的结构性能关系，阐明了链段自由度、离子对称性和离子排列有序度对熔点的影响，并优选出了两类综合性能较为突出的低温熔融盐电解质。在此基础上，我们发展了一类新型聚磺酰萘亚胺锂二次电池，系统研究了电解质盐对电池性能的影响，通过抑制放电产物溶解的方式有效提高了电池的循环稳定性，并且通过引入吸电子磺酰基有效的提高了正极材料的放电电压。在项目支持下，我们还发展了一类新型聚蒽醌酰亚胺钠二次电池，该材料与电解质表现出较好的相容性，库伦效率一直维持在100%，并且通过蒽醌基团构建聚合物正极可有效的提高正极材料的可逆容量和循环稳定性。在此基础上，我们进一步将石墨烯与正极材料复合，提高了聚蒽醌酰亚胺钠二次电池的倍率性能，并进一步通过电解质组成优化，有效提高了电池的循环稳定性，为电极优化与电解质匹配提供了可行的思路，该体系在循环10000周之后仍保有92 mAh g-1的可逆容量与100%的库伦效率。以上结果可为开发具有低熔点、高稳定性、高离子电导的新型熔融盐电解质体系提供理论基础和科学依据，为发展高安全性二次电池体系提供材料支持和技术储备。