基于离子液体/石墨烯复合物的混合电解质体系物理化学性质及内部相互作用规律的研究

Different ionic liquid/graphene hybrids are synthesized by electrochemical peeling in the functional ionic liquids. Then we disperse the hybrids into organic solvents, ionic liquids, electrolytes of supercapacitor or lithium battery with different ratios to form a family of homogeneous and stable mixed electrolyte systems under ultrasound or microwave. The thermodynamic and electrochemical properties such as excess function, volumetric property, surface peoperty, viscosity, wettability, conductivity, electrochemical window, internal resistance, and cycling performance will be systemically investigated. Further, based on the specific changes of characteristic spectrums (IR, NMR) for the mixed systems, at the molecular scale, the internal interactions(intensity, structure, sequence etc.) of the systems are analyzed through the excess IR spectroscopy, quantum calculation, and COSMO-RS simulation. The purpose is to find the regularity relations between the properties and the interal interactions of the mixed systems.

采用电化学剥离法在功能化离子液体环境中制备不同的离子液体/石墨烯复合物，并在超声、微波辅助下，以不同比例将其分散到有机溶剂、离子液体、超级电容器或锂电池电解液中，形成均一稳定的混合型电解质体系。系统研究体系的热力学和电化学性质，如超额函数、体积性质、表面性质、粘度、浸润性、电导率、电化学窗口、内阻、循环性能等；进一步的，通过我组一直使用的综合分析方法，从体系的IR、NMR等光谱特征入手，通过超额红外光谱分析，结合量化计算和COSMO-RS模拟，从分子尺度上分析混合体系内部多种粒子间的相互作用（强度、结构、次序等）对其性质的影响，归纳出性质与作用之间的规律关系。

本项目设计制备了20余种功能化离子液体及其混合体系，并将其作为支撑溶剂或组成成分进行石墨基材料的电化学剥离与复合，获得一系列不同组成结构的电解质体系与离子液体/石墨烯或碳基复合物体系。通过性质测定、结构表征、热力学估算、超额性质计算，结合光谱分析和COSMO-RS模拟，探讨不同混合体系和复合物体系的宏观性质与内部相互作用的对应关系，揭示在特定组成和温度下不同体系微观结构变化与性质间的构-效关系。项目按计划完成，达到了预期的目的。.主要研究成果如下：.（1）纯离子液体及离子液体混合体系的热力学性质及内部作用研究。功能化合成20余种离子液体，测定了不同温度下体系的重要热力学性质，估算了难于测得的重要热力学参数。发现阴、阳离子氰基或硫氰功能化后的离子液体具有较高的电导率、较低的粘度和稳定宽阔的电化学窗口。同时，讨论了温度、组分、以及溶剂种类等因素对混合体系性质的影响。通过超额性质的分析，发现相同阴离子的离子液体，阳离子的结构大小会影响离子液体的宏观性质，一般结构越大，电导率越小，粘度越大。另外，结合光谱测定和超额红外分析，发现混合体系的粘度与电导率在溶剂的介入下变化很大，由超额光谱分析和COSMO-RS计算，得到不同粒子间作用的多种信息，发现AN、PC等不同溶剂与功能化基团的作用位点不同，其中与氟和氰基形成氢键的能力更强。.（2）复合体系的制备与性质研究。制备了具有新型结构、高导电性、高负荷能力的一系列离子液体/石墨烯或碳基复合物，并将其中高密度的部分作为超级电容器的电极材料，低密度部分作为电解质的增容添加剂，评价了复合物在超级电容器中的应用效能，扣式电容电势窗口可达到3.5V以上，循环寿命和电容量大大提高。由于一定的产权保护需要，我们将离子液体/石墨或其它碳基复合物材料制备成电极材料的研究成果，申请发明专利两项，均已授权。混合体系作为前驱体溶剂，参与多种复合材料的制备与性质研究。