离子液体基锌离子电池电解质的制备及性能研究
锌金属负极具有氧化还原电位低和储量丰富等优点，与水系电解液具有高度兼容性，因此基于锌金属负极与水系电解液体系的锌离子电池，被认为是下一代安全、廉价储能技术的热点之一。尽管水系锌离子电池的离子传输速度快、电导率高，但是仍然存在电化学窗口低、电极界面副反应严重和锌枝晶生长等问题。为了解决以上问题，近年来有机系电解质被提出并应用在锌离子电池领域，一定程度上抑制了电极界面副反应，提高了电化学窗口，但是牺牲了水系电解质本征的高安全性与离子传输效率。 咪唑类离子液体具有高离子电导率、宽电化学窗口、良好的热稳定性和不易挥发性等优点，作为添加剂能明显改善电解质的溶质与溶剂环境，弥补水系和有机系电解质的不足，为安全与稳定锌离子电池的开发带来了可能。尽管如此，由于离子液体基锌离子电解质体系发展缓慢，在不同类型电解质中的作用机理仍不明晰，电池性能仍有待提高。本文从咪唑类离子液体的结构和优点出发，开发离子液体基液态与固态电解质，深入研究咪唑类离子液体添加量、阳离子结构以及亲疏水性对锌离子电池的影响，从而获得高稳定的锌离子电池。具体内容如下： （1）将咪唑类离子液体作为添加剂，引入水系电解液中改变电解质水环境。选取1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐（BMIM(OTf)）并调控与水的配比，获得兼具电化学窗口宽和离子电导率高的最佳比例的电解液，对比不同阳离子侧链长度的离子液体，明晰咪唑类离子液体阳离子不同结构（侧链长度不同）在水系电解液中对锌枝晶的抑制效果与机理，获得无锌枝晶生长的锌离子电池，在低电流密度下可循环2200h。 （2）复合咪唑类离子液体、锌盐与聚(偏聚氟乙烯-co-六氟丙烯)聚合物（PVDF-HFP）框架，制备锌离子基离子凝胶电解质，克服液态电解质易泄露与挥发的难题。对比了三种咪唑离子液体（侧链长度不同），明确咪唑阳离子结构在离子凝胶电解质中对锌枝晶的作用机理，获得宽电化学窗口和无锌枝晶生长的固态锌离子电池，可循环2500h。 （3）将界面水和内部水引入离子凝胶电解质，通过改变基体和离子液体类型，实现对离子凝胶电解质界面水和内部水分布的调控。利用界面和内部中水和离子液体的融合，一方面提高固态系统中的离子电导率，实现Zn2+的快速迁移，有效改善电池反应动力学，另一方面抑制极化反应，提高其界面稳定性，循环寿命可达5500h。
锌离子电池;离子液体;循环稳定性;凝胶电解质
东华大学
硕士
材料学
秦宗益
2022
中文
TM912
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）