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凝胶型离子液体/聚合物电解质的制备及其性能研究

蒋晶  
【摘要】:由于离子液体具有较高的离子电导率、较宽的电化学窗口、不挥发、不燃烧、热稳定性能好、环境友好等优良特性,将室温离子液体引入聚合物中复合得到的离子液体/聚合物电解质,兼具离子液体和聚合物电解质的优点,使得电池的安全性和稳定性都将得到进一步提高,因此在锂离子电池、电容器等器件中展示了良好的应用前景。本文将几种咪唑类离子液体,1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIBF_4)、1-丁基~(-3)-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIBF_4)、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(EMIPF_6)、1-丁基~(-3)-甲基咪唑六氟磷盐(BMIPF_6),与聚合物复合制备了一系列凝胶型离子液体/聚合物电解质。主要研究内容包括以下几个方面: 首先,采用两步法合成四种离子液体。通过优选反应溶剂,改进合成路线,对几种咪唑类离子液体的合成工艺进行了优化。我们采用低毒性的乙酸乙酯作为溶剂,合成了中间体EMIBr与BMIBr,该方法具有操作简单、产率高等优点。对水溶性的离子液体EMIBF_4和BMIBF_4,提出了钠盐-银盐法的合成路线,在保证产品的纯度的前提下,降低了合成成本。 然后,以共聚物P(VDF-HFP)为基体,将离子液体EMIBF_4、BMIBF_4和EMIPF_6、BMIPF_6与其复合,采用直接混合法制备出凝胶型离子液体/聚合物电解质,并进行了红外光谱、热失重和电化学性能测试。研究表明,离子液体与聚合物基体存在相互作用;该体系在305℃以上仍具有较好的热稳定性,其安全性能优于传统有机溶剂增塑体系;其室温离子电导率均达10~(-3) S/cm数量级,电导率随离子液体含量的增加而升高,且与温度的依赖关系符合Arrhenius方程。其中EMIBF_4/P(VDF- HFP)质量比为2:1时,其室温电导率可达3.67×10~(-3) S/cm。 其次,采用原位聚合法制备出新型的BMIPF_6/PMMA聚合物电解质透明弹性膜。研究显示,将离子液体BMIPF_6作为PMMA基聚合物的增塑剂,其热稳定性明显优于传统的DBP、DOP等增塑剂。随离子液体含量的增加,其玻璃化转变温度逐渐减小,离子电导率升高;且离子电导率与温度的关系服从VTF方程。其中,当BMIPF_6含量为50%时,该聚合物电解质的室温离子电导率达0.15×10~(-3) S/cm。接着,将制备的凝胶型离子液体/聚合物电解质应用于双电层电容器中,研究显示,基于EMIBF_4/P(VDF-HFP)聚合物电解质的双电层电容器展示了相对优良的电化学性能,其充电时间常数较小,本体阻抗较小,比容量较大,充放电循环性能和自放电性能良好。 另外,以共聚物P(VDF-HFP)为基体,选取室温离子液体EMIBF_4和BMIPF_6作为增塑剂,加入锂盐、纳米Al_2O_3及PMMA聚合物等制备了改性的凝胶型离子液体/聚合物电解质,对其结构、热稳定性能和电化学性能进行了研究。结果表明,


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