表面修饰纳米粒子/离子液体复合准固态电解质的研究

By the replacement of organic electrolyte with nontoxic, non-evaporation, non-flammable ionic liquid, energy conversion and storage device such as dye-sensitized solar cells, lithium ion battery will become longer lifetime, more convenience, more environmental friendly and more safe. In this application, a modification molecule, which consists of anchoring group, bridge group and interaction group, will be used to modify nanoparticles. Modification molecule is bonded to nanoparticles by anchoring groups. Modified nanoparticles solidify the ionic liquid to quasi solid state electrolyte, meanwhile and more importantly, nanoparticles will be self-assembled to form an ordered structure by the interaction of coulomb, hydrogen bond and Van der Waals between the interaction group from nanoparticles and the polar parts in ionic liquid. The ordered structure and its micro-environment will prompt the disassociation of ions and improve the conductivity and the diffusion coefficient of the quasi solid state ionic liquid electrolyte. This research will help to reveal the mechanism of the interaction between modification molecule and ionic liquid, and its relationship to the properties of quasi solid state electrolyte.

用无毒、不挥发、不燃烧的凝胶态离子液体取代目前通用的有机电解质能够提高染料敏化太阳能电池、锂离子电池等电化学能量转换和储存体系的使用寿命、便利性、绿色环保及安全性，然而离子液体电解质较低的离子电导限制了其应用。在本项目中我们拟采用由锚接基团、桥联基团和离子作用基团组成的表面修饰分子修饰的纳米粒子添加入离子液体电解质中，修饰分子通过桥联基团一端的锚接基团连接在纳米粒子上，依靠另一端的离子作用基团与离子液体的阴阳离子相互作用，使纳米粒子在离子液体中自组装形成有序的结构，该有序结构及结构内的微环境可促进离子的扩散传导以及电解质的解离，从而提高离子液体电解质的电导率和离子扩散系数；修饰的纳米离子同时固态化离子液体形成准固态电解质。本项目的研究成果将揭示修饰分子与离子液体的作用机制及其对准固态电解质性能的影响，为新型电解质的开发提供理论依据，有效提高电化学能量转换和储存体系的综合性能。

本项目针对离子液体电解质相对于有溶剂电解质低的电导率、相对于固态电解质泄漏的问题，提出表面修饰的纳米粒子在离子液体中自组装离子通道以及固态离子液体的解决方案。纳米粒子巨大的比表面使得其表面化学性质对纳米粒子/离子液体复合电解质的性能有重要影响。首先我们通过调节纳米粒子表面修饰分子的极性和亲疏水性来改变纳米粒子以及纳米粒子与离子液体间的相互作用强度，保证了纳米粒子在离子液体中有序网络结构的形成；给出了纳米复合凝胶电解质的电导率和离子扩散系数与纳米粒子之间的内在关联，提出了各种离子液体凝胶电解质电导率增强机制，以及对凝胶复合电解质性能的影响；其次我们发现了修饰分子表面浓度对性能的影响规律，开创了高浓度官能团功能化纳米粒子的新技术-预聚技术，获得了高表面修饰浓度的纳米材料，进一步提高了复合电解质的性能；此外我们从修饰分子与纳米材料的导电性出发制备了导电聚苯胺修饰的纳米粒子和具有高导电性的铌掺杂二氧化钛来增加复合电解质的导电性；我们还研究了纳米粒子形貌对凝胶稳定性、修饰分子的给电子基团和吸电子基团对染料敏化电池工作电极的能带等的影响，也得到了系统性的规律。利用上述规律，我们引入高浓度、强极性磺酸官能团，纳米复合离子液体电解质的电导率取得了重大的突破，高达10.00 mS cm-1，超预定项目目标一个数量级，接近了有机溶剂电解质的电导率；最后我们把该电解质体系应用在能源器件如锂电池和染料敏化太阳能电池中，器件的性能和稳定性均得到了很大的提升，染料敏化电池效率最高达到了8.2%，打破了当时离子液体凝胶电池的记录，且未封装的电池在空气中放置两个月性能基本保持不变。这为凝胶电解质走向应用提供了科学和技术的支撑，为实现能源的转换和储存器件的绿色、安全、长寿命、高效提供新思路和科学依据，具备重要科学意义和实际应用价值。