高安全性锂离子电池用离子液体聚合物骨架结构的聚合物电解质设计与制备

According to the previous work and analysis of current research-status on ionic liquid (IL) electrolyte for lithium ion battery, research works on synthesizing new polymeric ILs (homopolymer of IL monomers, copolymer of IL monomers and conventional organic monomers and copolymer of IL monomers and functional organic monomers), preparing polymeric IL electrolytes, investigating the capability of lithium ion transport and the effect mechanisms of different factors to lithium ion transport in these electrolytes, and exploring the main factors of restricting the performance by applied researches of these electrolytes in lithium ion battery, are proposed in this project. By carrying out this project, some experimental and theoretical suggestions can be acquired for developing novel polymeric IL electrolytes with good lithium ion transport and high battery performance in the future.

基于在锂离子电池用离子液体基电解质研究的前期积累和对相关领域现状的分析，在本项目中，拟设计、合成多种新型结构的离子液体聚合物，包括离子液体单体均聚物、离子液体单体与常规有机单体共聚物以及离子液体单体与功能有机单体共聚物，并以此作为骨架与低熔点、低粘度、宽电化学窗口的离子液体复合得到离子液体基聚合物电解质；研究锂离子在这些电解质中输运能力，深入地探讨各种因素对锂离子输运能力产生作用的机理；并通过锂离子电池的应用研究，系统地探究制约电池性能的关键因素。望通过本项目的研究，为今后继续开发新型的、高性能的离子液体基聚合物电解质提供必要的实验和理论依据。

随着锂离子电池在电子产品、交通运输、新能源储能系统等领域的广泛应用，其能量密度和功率密度不断提高，这将给电池安全性带来极大挑战。如何在提高锂离子电池能量密度的同时保证高安全性是锂离子电池领域面临的重要考验。构建高安全性电解质体系是提高锂离子电池安全性能的重要途径。在本项目中，为了设计和制备高性能离子液体聚合物电解质，合成了一系列吡咯阳离子离子液体聚合物；另外，提出一种新的合成路线，并采用该合成路线合成了咪唑阳离子离子液体聚合物和双中心阳离子离子液体聚合物等多系列新型结构的离子液体聚合物；以上述离子液体聚合物作为骨架，与锂盐以及离子液体、纳米氧化物或塑性晶体（如固态离子液体）复合，成功制备出一系列新型离子液体聚合物电解质。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析(TGA)和力学拉伸试验等分析手段对所制备电解质的物化性能，包括微观结构、形貌和热性能以及力学性能等进行了表征；并对电解质的离子电导率、锂离子迁移数、电化学稳定性、与锂金属的稳定性等电化学性质进行了详细研究；将所制备的离子液体聚合物电解质应用在锂离子电池中进行性能评估，考察其循环稳定性和快速充放电能力，采用交流阻抗测试(EIS)考察电池充放电过程中电极与电解质间的界面性能。通过以上研究，揭示了电解质结构、形貌和组分对其电化学性能和电池性能的影响规律，构建了适用于高安全性锂离子电池的离子液体聚合物电解质体系。另外，为了探索适合于离子液体聚合物电解质体系的离子液体，合成了醚基化吡唑离子液体和功能化咪唑类离子液体等系列离子液体，对它们的物化性能和电化学性能进行了系统研究；并将其应用在锂离子电池中进行性能评估，考察其循环性能和倍率性能，结果表明所合成的离子液体在锂离子电池中具有良好的应用前景。