聚离子液体固态电解质的合成和电化学性能研究

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锂离子电池由于其循环性能好、能量密度高、对环境不产生危害等特点已应用于生活中的各个领域。随着使用范围的不断扩大,安全性成为人们越来越关注的焦点,近年来不断出现的安全问题让科研人员把研究重点放在了安全性电解质的开发和利用上。固态电解质是一类安全电解质,不具备可燃性,是解决锂离子电池安全性问题的关键材料之一。聚合离子液体固态电解质结合了聚合物机械性能好、易加工和离子液体电导率高的特点,受到了关注。但是,人们对于这类电解质的导电机理还没有完全搞清楚,同样属于聚合离子液体,不同分子结构的材料往往表现出不同的电导率特性。为了探索结构对电导率的影响以及高电导率体系材料设计规律,本论文设计合成出了三种具有结构对比性的新型聚合离子液体固态电解质材料和四种具有结构对比性的离子液体单体,并研究它们的电导率特性。聚离子液体分别是:咪唑阳离子电荷中心距离主链近端和远端的P1和P2以及空间链含氧的基于咪唑的电荷中心距离主链远端的P4;离子液体单体分别是:咪唑阳离子电荷中心距离不饱和官能团近端和远端的M1和M2以及空间链含氧的基于咪唑的电荷中心距离不饱和官能团近端和远端的M3和M4。本文使用一系列有机材料,如咪唑、溴代烷和四乙二醇单甲醚等,通过季铵化反应、离子交换和自由基聚合等反应制备得到了目标产物。在合成M3和M4离子液体单体过程中,创造性的使用甲基磺酸酯来进行离子成盐反应,并取得了成功。论文分别采用核磁共振氢谱(1H-NMR)测试、傅立叶变换高分辨质谱、热重(TG)、差示扫描量热法(DSC)、电化学阻抗(EIS)测试、线性扫描伏安法(LSC)测试等方法对材料进行表征,从而确证材料的结构和性能。本论文最终得到了三种高电导率聚合离子液体材料,其中P1、P2和P4的室温30℃电导率分别为1.1×10-6S/cm,2.2×10-4S/cm和4.22×10-4S/cm,P2的电化学窗口超过7V(VS.Li/Li+),P1和P2的5%失重温度分别为369.05℃和233.63℃。本论文中,我们还探究了锂盐添加对聚合离子液体固态电解质电导率的影响,并尝试从结构特点角度对出现的现象进行分析。综上所述,本论文得到了三种具有结构对比性的聚合离子液体材料,咪唑阳离子电荷中心距离主链近端和远端的P1和P2以及空间链含氧的基于咪唑的电荷中心距离主链远端的P4,通过对比研究表明长链、电荷中心距离主链较远的结构特征有利于提高电导率,空间链含氧有利于提高材料对锂盐的解离性。
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