默尼化工科技（上海）有限公司，致力于離子液體產(chǎn)、銷、研（xf34.com.cn ）

電解質(zhì)是所有電池體系中的關(guān)鍵組分，對電池穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、安全性等有著重要的影響。電解質(zhì)作為離子傳輸?shù)拿浇?，對離子具有傳導(dǎo)能力而對電子傳導(dǎo)是絕緣的。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的分子式的液態(tài)電解質(zhì)體系存在著易燃易揮發(fā)、高毒性、物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等固有的缺點，對于提高電池安全性十分不利。有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)成為了高壓、高溫、開放電池體系發(fā)展的瓶頸。而離子液體憑借其高安全性等優(yōu)勢逐漸成為研究人員關(guān)注的重點。本部分將不同類型的離子液體電解質(zhì)進(jìn)行了分類總結(jié)。

1、溶有Li/Na 鹽類的離子液體電解質(zhì)

溶有鋰/鈉鹽的離子液體電解質(zhì)可以通過調(diào)控陰陽離子結(jié)構(gòu)來滿足高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口、穩(wěn)定的界面性質(zhì)等不同需求?？墒菍嶋H上能夠作為電解液使用的離子液體種類十分有限，陽離子種類主要包括非官能化的咪唑、吡咯烷基、含磷陽離子等，而陰離子主要是[BF4]-、[TFSI]-、[FSI]-、[PF6]-等高穩(wěn)定性低粘度的物種。離子液體電解質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)與陰陽離子的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。比如，電解質(zhì)的粘度會隨著陽離子半徑的增大而增大而離子電導(dǎo)率則會相應(yīng)降低；在有機(jī)陽離子中引入含醚的官能團(tuán)則會獲得粘度更低的離子液體物種。

對于Li/Na離子電池來講，離子液體電解質(zhì)能夠賦予電池更高的安全性、更高的容量利用率和庫倫效率，這在高電壓和高溫操作條件下表現(xiàn)得尤為突出。離子液體電解質(zhì)對于穩(wěn)定SEI膜的形成作用通常也是改善電池長期循環(huán)穩(wěn)定性需要考慮的因素，這在硅負(fù)極等體積膨脹十分嚴(yán)重的電極材料中體現(xiàn)的十分顯著。離子液體在電極界面上的少量分解使硅負(fù)極表面生成穩(wěn)定堅固的SEI膜，充放電過程中的庫倫效率得到極大改善。同樣，離子液體在高電位的分解也可以在正極-電解質(zhì)界面處形成穩(wěn)定的正極材料保護(hù)層，因此正極材料可以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定減少副反應(yīng)發(fā)生。近年來開始備受關(guān)注的雙離子電池在離子液體電解質(zhì)中也表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能。這是因為離子液體的引入提高了電解液的抗氧化穩(wěn)定性，規(guī)避了有機(jī)溶劑電解質(zhì)中廣泛存在的溶劑共嵌入問題。

圖4 以離子液體作為電解質(zhì)的雙離子電池充放電工作原理示意圖（Al箔作為負(fù)極，介孔碳微球作為正極）

Li-S電池是一種新型高比能的電化學(xué)儲能器件，但其發(fā)展受到多硫化物穿梭效應(yīng)的困擾。研究人員很早就將離子液體電解質(zhì)用于S-C復(fù)合正極材料中并獲得了相比傳統(tǒng)有機(jī)溶劑電解質(zhì)更加出色的電化學(xué)表現(xiàn)。這是因為多硫化物中間體在離子液體電解液中的溶解受到抑制，而且能夠誘導(dǎo)電極-電解質(zhì)界面上電荷轉(zhuǎn)移更快發(fā)生。對于多硫化物溶解的抑制作用實際上與離子液體陰離子的給電子能力有關(guān)：較弱給電子能力的陰離子才能有效抑制多硫化物中間體的穿梭效應(yīng)。具有弱路易斯堿性的電荷局域化的[TFSI]-陰離子在Li-S電池中發(fā)揮了重要作用，它不僅能夠解決多硫化物的穿梭問題而且可以在負(fù)極界面上產(chǎn)生穩(wěn)定堅固的SEI膜。

圖5 基于不同電解質(zhì)體系的Li-S電池中多硫化物溶解和擴(kuò)散機(jī)理示意圖：（a）傳統(tǒng)醚類電解液；（b）基于[PP13][TFSI]的離子液體電解液

2、離子液體與分子性溶劑的雜化電解質(zhì)

由于強(qiáng)烈的離子-離子相互作用和巨大的離子體積，單純的離子液體常常粘度過大從而導(dǎo)致低離子電導(dǎo)率，這使得離子液體電解質(zhì)在高容量、高倍率電化學(xué)體系中的應(yīng)用受到限制。為了解決這個問題，人們將有機(jī)碳酸酯溶劑與離子液體混合在一起形成雜化電解質(zhì)。雜化電解質(zhì)相比純離子液體具備更低的粘度和更高的離子電導(dǎo)，相比純碳酸酯電解液的安全性也更高。此外，雜化的離子液體-分子溶劑電解質(zhì)往往會帶來電極-電解質(zhì)界面的優(yōu)化效應(yīng)。

圖6 1M LiTFSI雜化電解質(zhì)體系中的SiO2-IL-TFSI/PC示意圖

3、離子液體-納米粒子雜化電解質(zhì)

金屬鋰電池的實際應(yīng)用受到不均勻的電化學(xué)沉積和枝晶生長的阻礙。陰離子移動能力減弱的電解質(zhì)對于枝晶生長的抑制有較好的效果。雖然離子液體電解質(zhì)相比傳統(tǒng)電解質(zhì)有一定優(yōu)勢，但其低鋰離子遷移數(shù)對于鋰枝晶的抑制效果不顯著。近年來，Archer 等發(fā)展了離子液體維系的納米粒子雜化電解質(zhì)并對其在金屬鋰負(fù)極中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在這種雜化電解質(zhì)中，離子液體被束縛在納米粒子（如SiO2、TiO2、ZrO2等）的表面，然后納米粒子再與鋰鹽或者含有鋰鹽的分子性溶劑混合。離子液體-納米粒子雜化電解質(zhì)在兩方面可以有效抑制鋰枝晶的生長。一來被束縛的離子對可以在溶劑中解離出陰離子抑制了負(fù)極表面空間電荷層的產(chǎn)生；二來納米粒子的抗?jié)B透性和機(jī)械強(qiáng)度能夠減緩已成核枝晶的滲透。

4、溶劑化離子液體電解質(zhì)

近年來，高濃度的鋰鹽或鈉鹽溶于乙二醇二甲醚形成的熔融態(tài)的溶劑化離子液體電解質(zhì)被作為一類新型的電解質(zhì)體系而廣泛研究。溶劑化離子液體中的陽離子結(jié)構(gòu)中存在一個與溶劑中配體強(qiáng)烈配位的帶正電荷鋰原子。這種溶劑化離子液體電解質(zhì)的典型代表是等摩爾量的三甘醇二甲醚（G3）與LiTFSI的混合物[Li(G3)1][TFSI]。[Li(G3)1]陽離子中的鋰原子通過四個氧原子與環(huán)狀的醚實現(xiàn)配位。由此導(dǎo)致的陰陽離子的弱路易斯酸性和弱路易斯堿性對于抑制Li-S電池中多硫化物的穿梭效應(yīng)作用顯著。