离子液体修饰纳米二氧化硅及其作为离子导体的应用

摘要：离子液体由于自身特有的热稳定性、不易挥发和燃烧、高离子导电性和宽化学窗口等适宜于在电化学中使用的优点,在锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器等多个领域都得到了很好的应用。

研究发现,将离子液体作为电解质使用可以提高这些电化学设备的性能、安全、速度、循环性以及长期稳定性等。离子液体作为液态电解质用于锂电池中,虽然能较好地改善电池性能,但是仍存在漏液的安全隐患,而将离子液体固载化后制得的固体电解质能较好地解决这个问题。采用纳米SiO_2颗粒为载体,通过硅烷偶联剂的桥梁作用,在SiO_2表面原位接枝离子液体。为了提高其离子电导率,在制备的固载化离子液体中加入锂盐LiTFSI,得到的SiO_2固载的1-(三乙氧基硅基丙基)-3-正丁基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐(SiO_2-[CPIM]TFSI)固态电解质有望用于锂离子电池中。再将SiO_2-[CPIM]TFSI掺杂到SPEEK中制备了全固态的聚合物电解质隔膜。除此之外,为了提高离子液体在PEM内的固定能力,本文还结合离子液体和硅烷偶联剂的优点合成了硅烷型离子液体[CPIM]Br,并将其掺杂到聚合物SPEEK中,利用硅烷原位水解生成的SiO_2将离子液体较好地固定在复合膜内。通过对所合成材料的表征和性能研究,得到以下主要结论:1)利用FT-IR、CHNS元素分析、XPS等测试证实了SiO_2-[CPIM]TFSI的成功合成,得到的不同LiTFSI掺杂量的SiO_2-[CPIM]TFSI都具有良好的热稳定性能,且它们的离子电导率都随温度以及LiTFSI添加量的升高而逐渐增大。添加1.0g LiTFSI后获得的固态电解质在干态条件下,80℃时的离子电导率为3.46×10~(-4)S/cm,高温160℃时电导率可达1.70×10~(-3)S/cm。2)SPEEK/SiO_2-[CPIM]TFSI复合膜有着较高的拉伸强度及良好的热稳定性,SEM测试发现虽然不同掺杂量的复合膜表面形貌会有所异,但是掺杂的固载化离子液体与SPEEK都有着较好的相容性。全干态下的电导率测试表明该膜的离子导电性并不太好,还有待进一步的改善。掺杂量为10wt%时,复合膜在120℃时的电导率为7.80×10~(-6)S/cm,但从130℃开始时,其离子电导率却呈下降的趋势。3)SPEEK/[CPIM]Br复合膜有着较好的柔韧性及较高的热稳定性,SEM测试表明[CPIM]Br掺杂量较低时,原位水解产生纳米颗粒的粒径在100nm左右,会相对均匀地分散在SPEEK中;当其含量增加为76wt%时,纳米粒子会沿着SPEEK主链排列,形成直径为200~300nm、长短不一的棒状结构包埋的SPEEK基体中。全干态下的电导率测试表明,[CPIM]Br添加量为21wt%时,复合膜在60℃和160℃下的电导率分别为2.58×10~(-8)S/cm和4.57×10~(-6)S/cm。而纯SPEEK在高温无加湿时几乎没有质子传导性能,对比可知[CPIM]Br的加入能较好地改善高温无水条件下质子传导能力。

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