Chem. Soc. Rev.综述：离子液体及其衍生材料在锂、钠电池领域的研究进展

【引言】

随着新能源技术和智能设备在全球范围内的高速发展，锂电池和钠电池的创新研究已成为当前科技领域最引人瞩目的焦点之一。不断突破锂、钠电池电化学性能和安全性要求的关键在于设计开发更先进的电极、电解质及辅助材料。离子液体是完全由阴、阳离子组成的新型液体软材料，具有几乎不挥发、离子电导率高、热稳定性好、不易燃、电化学窗口宽等独特性质，不仅为能量/功率密度更高、长周期稳定性和安全性更好的新型电池材料的设计创造了新的机遇，也为已知材料制备方法的革新提供了新的可能。聚离子液体、离子凝胶和离子液体键合纳米颗粒等离子液体衍生材料在保留离子液体多数特性的同时被赋予了其它优良性能，因而也受到了极大关注。近十年来，涉及离子液体及其衍生材料在锂、钠电池领域研究的论文数量始终保持快速增长的趋势。

【成果简介】

近日，浙江大学杨启炜副研究员、邢华斌教授和美国橡树岭国家实验室的Sheng Dai教授团队合作，在Chemical Society Reviews 上发表了题为《Ionic liquids and derived materials for lithium and sodium batteries》的专题综述论文，系统总结了离子液体及其衍生材料在锂/钠离子电池、双离子电池、锂/钠-硫电池、锂/钠-空电池等锂、钠电池中的各种应用，涵盖电极材料制备、液体电解质、固体电解质、电极/电解质界面与集流体等等不同用途，重点介绍了最近三年的研究进展。从技术角度而言，得益于其不同于分子溶剂和无机盐的独特性质，离子液体及其衍生材料是锂、钠电池制造过程中富有潜力的碳原子/杂原子前体、溶剂、添加剂或离子传导材料，不仅极大提升了电池的安全性，而且显著增强了电池的电化学性能及其制造过程的可持续性。但是目前仍有一些问题有待解决。例如，只有一部分离子液体在裂解时可以提供较高的碳收率与氮含量，而这些离子液体的合成步骤普遍较多，成本较高。在离子液体辅助的电极材料离子热合成过程中，离子液体与合成前体及中间产物的相互作用规律未被充分揭示，导致对产物结构的预测能力较弱。用作电解质时，离子液体较大的粘度限制了离子的传输，尤其是低温条件下的传输，同时一些离子液体及其衍生材料在苛刻条件下的长周期稳定性并没有通常认为的那样理想。从经济角度而言，离子液体及其衍生材料也面临着不小的挑战。

【图文导读】

图1 2000年以来Scopus检索平台收录的有关离子液体及其衍生材料在锂、钠电池领域研究工作的论文发表数量（截止2017年11月）

图2离子液体及其衍生材料的结构示意图以及在锂、钠电池中的应用

图3 含氰基离子液体的典型碳化机制

图4 离子液体辅助的具有三维分级结构的CuO介晶的制备

左上：单斜CuO沿[100]方向的结构示意图

右上：[Bmim]⁺离子垂直于CuO的{100}面并沿[010]方向自组装形成有序结构

下：三维分级CuO介晶形状演变示意图

图5 基于离子液体电解液的双离子电池充放电过程示意图

图6 基于密度泛函计算的不同电解液中MoS₂纳米片上的氧还原反应机理示意图

图7 含有聚离子液体功能化介孔硅纳米片的聚离子液体基离子凝胶电解质

(a) PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FMSiNP电池中Li⁺离子扩散路径及电极-PIL/IL界面示意图；

(b) 各种基于离子液体的复合聚合物电解质在不同离子液体负载下的离子电导率.

图8 含有不饱和官能团的咪唑类离子液体原位电引发聚合在钠金属电极表面形成聚离子液体薄膜

(a) 聚离子液体薄膜形成机理示意图;

(b) 电流密度1 mA cm^-2下，含1 mmol/L NaClO₄的EC/PC电解液中钠电极表面钠沉积过程的光学显微镜图像;

(c) 电流密度1 mA cm^-2下，添加20 wt% [Daim][ClO₄]至1 mmol/L NaClO₄的EC/PC电解液之后钠电极表面钠沉积过程的光学显微镜图像（比例尺：50μm）.

【结论与展望】

在锂、钠电池领域，离子液体及其衍生材料的生命力将主要存在于那些常规材料难以取得突破的地方，例如需要在高温、高压或开放环境下稳定运行的电池系统。为了推动相关研究的应用进程，亟待设计开发粘度更小、稳定性更好、成本更低的新型离子液体，并且更深入地研究离子液体及其衍生材料对电池性能的影响机制。另一方面，与纯离子液体相比，由离子液体与较为廉价的传统材料组合形成的复合/杂化材料在经济上更有竞争力，而且能够克服纯离子液体在性能上的一些不足之处。离子液体-分子溶剂混合电解液、离子凝胶等都是日益受到重视的复合/杂化材料。在这些体系中，深入理解复合/杂化材料各个组成部分之间复杂的相互作用至为重要，是获得多组分协同效应、在降低离子液体消耗的同时最大程度利用其优点的关键所在。

论文的第一作者是浙江大学的杨启炜副研究员，邢华斌教授与Sheng Dai教授为共同通讯作者。浙江大学博士生张照强、美国橡树岭国家实验室Xiao-Guang Sun研究员及中科院胡勇胜研究员是论文的共同作者。

全文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs/c7cs00464h/unauth#!divAbstract

Qiwei Yang, Zhaoqiang Zhang, Xiao-Guang Sun, Yong-Sheng Hu, Huabin Xing and Sheng Dai, Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 2020-2064.

【作者简介】

邢华斌，浙江大学求是特聘教授、博士生导师，现任浙江大学化学工程与生物工程学院院长。兼任《化工进展》和《过程工程学报》编委、中国化工学会离子液体专业委员会委员、过程强化专业委员会委员。获国家杰出青年基金（2017）、教育部青年长江学者（2016）、首届国家基金委优秀青年基金（2012）、国家万人计划青年拔尖人才（2014）、教育部新世纪优秀人才（2013）和浙江省杰出青年基金的资助，获中国新锐科技人物特别贡献奖（2016）、中国石化联合会青年科技突出贡献奖（2015）、中国化工学会“侯德榜化工科学技术青年奖” （2016）和浙江省科技进步一等奖（2014）等奖励，2017和2018年度连续入选美国化学会Ind. Eng. Chem. Res期刊有影响力研究者。主要从事化工分离过程、低碳烃纯化和天然药物分离等方向，涉及离子液体、离子杂化多孔材料（阴离子柱撑杂化超微孔材料和微孔聚合物）的设计、制备及在碳烃及天然药物分离中的应用。发表SCI论文110余篇，其中以通讯作者在Science, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., AIChE J.等期刊上发表论文60余篇，多篇论文被选为封面、封底及VIP文章被重点报道.

Sheng Dai，美国橡树岭国家实验室首席科学家(高级研究员，纳米材料组Group Leader)、UT-Knoxville 大学教授。1984年和1986年在浙江大学化学系获得学士和硕士学位，1990年在美国田纳西大学获得博士学位。其研究方向涉及介孔碳、介孔氧化物和离子液体等纳米材料在能源储存、分离和多相催化中的应用。在国际重要期刊上发表论文600余篇，其中在Nature Nanotechnology、Nature Communications、JACS、Angew Chem Int Edit、Advanced Materials等顶级学术期刊上发表论文60余篇，被他人引用30000余次，H-因子89。拥有20余项有关离子液体、熔盐和多孔材料在能源中应用的美国发明专利。其研究获得Battelle S&T Challenges Award（2002），four R&D100 Awards (2010, 2011, two in 2014)以及Battelle Distinguished Inventor Award.

相关系列研究获得了国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目和美国能源部项目等的大力资助。

本文由邢华斌课题组供稿，材料牛整理编辑。

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