锂盐-季铵型离子液体/碳负极材料相界面增容改性的研究

低挥发、不可燃的室温离子液体代替传统有机溶剂能够从根本上消除锂离子二次电池现存的安全隐患，尤其对大容量高功率锂离子动力电池的开发和应用具有重要意义。然而，碳负极材料表面不易形成良好的SEI膜是当前离子液体在锂离子二次电池应用中较为突出的共性问题。本项目通过对比锂盐-季铵型离子液体电解质体系中不同碳负极材料的嵌脱锂性能及其电极/电解液相界面SEI成膜质量的差异，探讨碳材料自身结构特性（如：形态、粒度尺寸、比表面积、石墨化程度以及表面特性等）与其在新体系下相界面相容性的内在关联性；并在此基础上，通过对碳材料针对性的包覆改性以及优化离子液体结构作为辅助手段，力图在无添加剂的新型电解质体系中实现碳负极材料长期循环过程中的稳定性和嵌脱锂的可逆性，为未来开发和设计离子液体体系化学电源提供可借鉴的数据及思路。

碳负极材料具有资源丰富、高比容量、低成本、性能优良和对环境友好的优点，是目前较为理想的锂离子电池负极材料。目前，碳负极材料在离子液体电解液中的应用涉及“离子液体阳离子共嵌”，“界面SEI膜”，“电极/电解液相容性”以及“锂离子传输效率”等一系列问题。本项目致力研究锂盐-季铵型离子液体体系中，碳负极材料的SEI膜特性及改性碳材料对界面钝化增容效果。研究内容主要有“锂盐/离子液体电解液的优化”，“离子传输特性及碳负极相容性研究”和“改性碳负极在离子液体电池的应用评测”。研究发现：（1）无添加剂的情况下，一定比例有机溶剂的加入能够使离子液体电解液体系兼具高电导率、好相容性、良抗燃性和热稳定性的优点。（2）锂盐加入后，离子液体体系中碳负极/电解液界面反应机制发生变化，相界面阻值迅猛增长。（3）除阳离子共嵌外，Li+与TFSI-阴离子的络合对SEI成膜机制以及Li+传输效率有着重要影响。锂盐与离子液体间的相互作用显著降低了锂离子的迁移效率，锂盐浓度因素在离子液体电池的优化设计中不可忽视。（4）碳负极结构性征，特别是比表面积与端面分布对SEI膜有着重要的影响。其中，具有片状、锂插入点集中的天然石墨（NG198）性能较差。与之相比，球状的中间相碳微球（CMB）和人造石墨（AG360）比表面积较大，插入点较为分散，性能较好。（5）表面包覆在一定程度上能够增强石墨与离子液体电解液的相容性，改善SEI成膜质量，提高碳材料的电池性能。本项目通过探讨碳类负极材料在离子液体电解液中的相界面成膜特性及其影响因素，明确了该体系下的碳负极与电解质固/液界面作用机制和特点，并证实了包覆技术在改善碳负极材料在离子液体电解液中的应用潜力与价值。这些成果将对未来开发可实用化的离子液体型化学电源提供参考和借鉴。