离子液体用于电极材料的制备

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  1. 离子液体及其衍生物在锂/钠电池中的应用
  2. 离子液体用于电极材料的制备 (Current)
  3. 基于离子液体的液态电解质

离子液体由于具有优化化学组分、纳米结构和正负极材料功能的作用,从而可以用来制备性能优异的电极材料。本综述对于离子液体在电极材料制备中的应用主要从碳材料制备、无机材料的辅助合成、电沉积媒介以及其他电极组分的制备等几个方面展开。

 

1、碳材料制备

碳材料在二次电池领域扮演着十分重要的角色。通常碳材料的制备是通过聚合物碳化的方法实现的,但是碳化过程中聚合物链段的破裂会使得有序碳纳米结构和均匀的碳包覆层难以实现。离子液体的流动性和良好的热稳定性有利于连续均匀碳薄膜形成,可控的阴阳离子结构也使得含碳产物的结构形貌调控更加容易。此外,离子液体独特的组成与结构异质原子的掺杂和孔结构的调节更容易实现。

离子液体在碳材料合成中的一个重要应用就是利用含N 阴离子的离子液体(尤其是含有-CN的离子液体)进行热解得到氮掺杂的碳材料。这种离子液体衍生的含氮碳材料通常具有和石墨类似的局部结构,其内部常常负载吡啶氮原子和四聚氮原子,这种结构赋予了碳材料较高的稳定性和良好的电子电导。其他异质原子(如B、S)掺杂同样可以通过调节离子液体浆料中阴阳离子的类型来实现。值得注意的是,离子液体的碳化过程中会发生自模板效应,因此无需额外模板便可得到多孔有序的碳材料。但是,使用离子液体进行碳材料的衍生也存在着过程复杂、成本高昂等缺陷。相应的解决措施就是使用离子液体衍生的碳材料作为碳包覆层或支撑而不是整体骨架来使用。与传统的包覆浆料不同,离子液体包覆浆料具有更好的流动性和渗透性,热解过程中也不会挥发损失,还可以实现异质原子表面掺杂提升电极材料的性能。

Chem. Soc. Rev. 综述:离子液体及其衍生物在锂/钠电池中的应用

图2 由含氰基离子液体直接合成碳材料的典型示意图

 

2、无机、无机/有机复合材料的辅助合成

无机材料在电池相关材料中占了很大的比重,无机电极材料的结构调控对于改善离子电子传输、增加能量密度、提高稳定性等至关重要。传统的无机材料合成手段如水热、溶剂热方法等均涉及到高温高压条件、溶解性分散性差、结构调控能力弱等问题。而离子液体得益于其低蒸汽压、高极化率、自组装能力和二元特性等优势能够作为离子热方法中的反应媒介克服这些问题。离子热方法不仅反应条件更加温和,更重要的是离子液体在其中可以同时扮演反应物、反应介质以及结构诱导剂等多重角色。此外,离子液体衍生过程中赋予了无机材料的碳材料之间更好地亲和力,这对于制备性能优异的无机/有机复合材料十分有益。

离子液体在无机材料合成中起到协助作用的典型实例就是FeF3的合成。研究人员使用[Bmim][BF4]离子液体作为溶剂、软模板和氟源与Fe(NO3)3一起制备了高质量的FeF3材料,避免了危害性的HF的使用。使用具有烷基长链阳离子的类表面活性剂离子液体可以对无机物的结构进行精确调控。离子液体表面活性剂与常规表面活性剂最显著的区别就是其自身可以作为非水反应介质无需后续微结构的再分离。离子液体中的阳离子与碳纳米管能够发生稳定高效的相互作用,这为制备与碳纳米管相关的纳米结构复合电极材料提供了新颖的方法。

Chem. Soc. Rev. 综述:离子液体及其衍生物在锂/钠电池中的应用

图3 以离子液体作为碳浆料前驱体通过SiO2模板合成富N的S/C复合材料示意图

 

3、离子液体为媒介的电沉积

模板协助的具有特殊形貌和纳米结构的金属/合金电沉积是近年来二次电池研究领域的热点。离子液体凭借独特的物理化学性质而成为了模板协助电沉积的优良溶剂。由于具有良好的热稳定性和宽电化学稳定窗口,离子液体能够在高温下实现多种元素的电沉积。离子液体中的电沉积通常不需要引入新的模板,这就避免了去除模板中对沉积纳米结构的破坏。

4、其他电极组分

聚离子液体由于具有高离子电导率以及对无机/有机界面良好的相容性而有望成为新一代粘结剂材料的竞争者。值得一提的是,离子液体在天然的纤维素粘结剂使用过程中扮演着重要角色。天然纤维素是一种绿色环保的粘结剂材料但其使用受到了缺乏良溶剂的制约。离子液体由于含有丰富的氢键位点而能够高效溶解天然纤维素,这对于纤维素的生产与应用十分重要。

 

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