离子液体聚合物电解质中锂离子输运通道的构建及输运机理

Polymerized ionic liquid electrolytes (PILs) are considered to be potential electrolytes due to their high safety and exceptional properties for lithium ion batteries. But until now, it is no clear understanding on transport laws of lithium ions in the PILs, as well as factors which hinder the transport of lithium ions. As a result, PILs with high ionic conductivity at room temperature have not been synthesized yet. In this study, transport channels for lithium ions in the PILs will be built at a view of molecular level, and high conductive PILs with the channels will be synthesized by a method of cutting through alkyl group length. The present form of lithium ions in PILs' channels and interaction ways with other cations and anions will be observed by FT IR, Raman and PGSE NMR techniques. Moreover, the transport law of lithium ions in the channels will be studied. A mechanism of which lithium ions interacts with some factors such as, different structures of cations and anions in the PILs, the structures of PILs' chains, the ions and concentration of lithium salts, will be clarified. This study will provide the experimental and theoretical support for building transport channels of lithium ions from the molecular level and developing highly conductive PILs.

离子液体聚合物电解质被认为是一种非常具有发展潜力的、高性能、高安全锂离子电池电解质。但是人们对离子液体聚合物电解质中微观状态下锂离子的输运规律以及阻碍锂离子输运的相关因素仍没有比较清楚的认识，因此未能开发出室温下较高离子电导率的电解质。本研究拟从分子水平构建锂离子传输通道的角度入手，通过调节阴阳离子结构、烷基侧链长度，电负性原子数目等因素，合成阴离子型、阳离子型、共聚型等多种通道形式的离子液体聚合物电解质；利用全反射傅立叶红外、拉曼光谱以及核磁共振脉冲梯度场等技术，观察锂离子在各种离子液体聚合物电解质通道中的存在形态、与聚合物中阴、阳离子的作用方式，并着重对锂离子在通道中的输运方式进行研究，阐明阴、阳离子结构、离子液体聚合物链段结构、锂盐的离子结构、锂盐浓度等因素对锂离子输运方式产生影响的作用机理，为从分子水平设计、构筑锂离子输运通道，开发高传导的离子液体聚合物电解质提供实验和理论依据。

离子液体聚合物电解质被认为是一种非常具有发展潜力的、高性能、高安全锂离子电池电解质。本项目从分子水平构建锂离子输运通道的角度入手，通过调节阴阳离子结构、烷基侧链长度，电负性原子数目等因素，构建了多种锂离子通道形式的离子液体聚合物，合成了新型咪唑离子液体聚合物电解质、新型季铵阳离子的离子液体聚合物电解质。研究了不同离子类型、离子液体含量、锂盐浓度、聚合物分子量等因素对锂离子电导率以及电池性能的影响，提出了锂离子的输运机制及构建高传导离子液体聚合物电解质的方法。. 发现了高电荷密度的离子液体聚合物具有非常高的锂离子传导性能。通过两种途径构建了高电荷密度（每个重复单元含有6个离子对）的离子液体聚合物，一种是通过6（溴甲基）苯与联吡啶反应直接生成，另一种是含有6个乙烯基单体的咪唑经过自由基聚合而成。将高电荷密度离子液体聚合物与离子液体、锂盐复合制成了三组分电解质，研究了不同离子类型、离子液体含量、锂盐浓度、聚合物分子量等因素对锂离子电导率以及电池性能的影响，探讨了锂离子的输运影响因素。. 通过构筑锂离子通道的方式将离子液体限域在纳米BN的片层空间中，离子液体的吸收量非常大达到了自身重量的10倍，是目前报道中对离子液体吸收量最大的材料。由于具有锂离子通道的原因，该电解质的电导率接近液态的离子液体，常温下超过了10-3数量级为3.85 × 10 -3 S cm -1，-20 ℃依然超过10-4数量级为2.32 × 10 -4 S cm -1。该电解质做成的Li/LiFePO4电池具有优异的室温和低温性能。该电解质为层状纳米材料应用于锂离子电池的半固态电解质开辟了一条新的途径。. 通过本项目的实施为从分子水平设计、构筑锂离子输运通道，开发高传导的离子液体聚合物电解质提供实验和理论依据。