文档介绍：湘潭大学
硕士学位论文
凝胶型离子液体/聚合物电解质的制备及其性能研究
姓名:蒋晶
申请学位级别:硕士
专业:物理化学
指导教师:苏光耀;高德淑
20060501
湘潭大学 2003 级硕士学位论文

摘要

由于离子液体具有较高的离子电导率、较宽的电化学窗口、不挥发、不燃烧、
热稳定性能好、环境友好等优良特性,将室温离子液体引入聚合物中复合得到的
离子液体/聚合物电解质,兼具离子液体和聚合物电解质的优点,使得电池的安全
性和稳定性都将得到进一步提高,因此在锂离子电池、电容器等器件中展示了良
好的应用前景。本文将几种咪唑类离子液体,1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐
(EMIBF4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIBF4)、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷
酸盐(EMIPF6)、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷盐(BMIPF6),与聚合物复合制备了一
系列凝胶型离子液体/聚合物电解质。主要研究内容包括以下几个方面:
首先,采用两步法合成四种离子液体。通过优选反应溶剂,改进合成路线,
对几种咪唑类离子液体的合成工艺进行了优化。我们采用低毒性的乙酸乙酯作为
溶剂,合成了中间体EMIBr与BMIBr,该方法具有操作简单、产率高等优点。对水
溶性的离子液体EMIBF4和BMIBF4,提出了钠盐-银盐法的合成路线,在保证产品
的纯度的前提下,降低了合成成本。
然后,以共聚物 P(VDF-HFP)为基体,将离子液体 EMIBF4、BMIBF4 和 EMIPF6、
BMIPF6 与其复合,采用直接混合法制备出凝胶型离子液体/聚合物电解质,并进行
了红外光谱、热失重和电化学性能测试。研究表明,离子液体与聚合物基体存在
相互作用;该体系在 305℃以上仍具有较好的热稳定性,其安全性能优于传统有机
溶剂增塑体系;其室温离子电导率均达 10-3 S/cm 数量级,电导率随离子液体含量
的增加而升高,且与温度的依赖关系符合 Arrhenius 方程。其中 EMIBF4/P(VDF-
HFP)质量比为 2:1 时,其室温电导率可达 ×10-3 S/cm。
其次,采用原位聚合法制备出新型的 BMIPF6/PMMA 聚合物电解质透明弹性
膜。研究显示,将离子液体 BMIPF6 作为 PMMA 基聚合物的增塑剂,其热稳定性
明显优于传统的 DBP、DOP 等增塑剂。随离子液体含量的增加,其玻璃化转变温
度逐渐减小,离子电导率升高;且离子电导率与温度的关系服从 VTF 方程。其中,
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当 BMIPF6 含量为 50%时,该聚合物电解质的室温离子电导率达 ×10 S/cm。
接着,将制备的凝胶型离子液体/聚合物电解质应用于双电层电容器中,研究
显示,基于 EMIBF4/P(VDF-HFP)聚合物电解质的双电层电容器展示了相对优良
的电化学性能,其充电时间常数较小,本体阻抗较小,比容量较大,充放电循环
性能和自放电性能良好。
另外,以共聚物 P(VDF-HFP)为基体,选取室温离子液体 EMIBF4 和 BMIPF6
作为增塑剂,加入锂盐、纳米 Al2O3 及 PMMA 聚合物等制备了改性的凝胶型离子
液体/聚合物电解质,对其结构、热稳定性能和电化学性能进行了研究。结果表明,
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凝胶型离子液体/聚合物电解质的制备及其性能研究
随离子液体、纳米 Al2O3 粒子和 PMMA 含量的提高,聚合物基体的结晶度降低,
聚合物电解质的离子电导率逐渐增加,可以达到 10-4 S/cm 的数量级;但随聚合物
电解质中锂盐含量的提高,离子电导率减小;这两类离子液体增塑的聚合物电解
质的电化学窗口分别达 V 和 V(vs. Li+/Li),但其具有较高的阴极分解电
压(分别为 V 和 V vs. Li+/Li)。
最后,初步探讨了凝胶型离子液体/聚合物电解质在石墨/Li 半电池中的应用。
由于咪唑类离子液体具有较高的阴极分解电压(约 1 V,vs. Li+/Li),且该类离子
液体的还原产物不能在电极表面形成性能优良的 SEI 膜,因此不能直接用于石墨
或锂为负极的锂离子电池中。

关键词:离子液体;聚合物电解质;电导率;电化学窗口;双电层电容器;锂离子电池

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湘潭大学 2003 级硕士学位论文

ABSTRACT

Ionic liquids, due to their excellent prope