Chem. Soc. Rev.綜述：離子液體及其衍生材料在鋰、鈉電池領域的研究進展

【引言】

隨著新能源技術和智能設備在全球范圍內的高速發展，鋰電池和鈉電池的創新研究已成為當前科技領域最引人矚目的焦點之一。不斷突破鋰、鈉電池電化學性能和安全性要求的關鍵在于設計開發更先進的電極、電解質及輔助材料。離子液體是完全由陰、陽離子組成的新型液體軟材料，具有幾乎不揮發、離子電導率高、熱穩定性好、不易燃、電化學窗口寬等獨特性質，不僅為能量/功率密度更高、長周期穩定性和安全性更好的新型電池材料的設計創造了新的機遇，也為已知材料制備方法的革新提供了新的可能。聚離子液體、離子凝膠和離子液體鍵合納米顆粒等離子液體衍生材料在保留離子液體多數特性的同時被賦予了其它優良性能，因而也受到了極大關注。近十年來，涉及離子液體及其衍生材料在鋰、鈉電池領域研究的論文數量始終保持快速增長的趨勢。

【成果簡介】

近日，浙江大學楊啟煒副研究員、邢華斌教授和美國橡樹嶺國家實驗室的Sheng?Dai教授團隊合作，在Chemical Society Reviews 上發表了題為《Ionic liquids and derived materials for lithium and sodium batteries》的專題綜述論文，系統總結了離子液體及其衍生材料在鋰/鈉離子電池、雙離子電池、鋰/鈉-硫電池、鋰/鈉-空電池等鋰、鈉電池中的各種應用，涵蓋電極材料制備、液體電解質、固體電解質、電極/電解質界面與集流體等等不同用途，重點介紹了最近三年的研究進展。從技術角度而言，得益于其不同于分子溶劑和無機鹽的獨特性質，離子液體及其衍生材料是鋰、鈉電池制造過程中富有潛力的碳原子/雜原子前體、溶劑、添加劑或離子傳導材料，不僅極大提升了電池的安全性，而且顯著增強了電池的電化學性能及其制造過程的可持續性。但是目前仍有一些問題有待解決。例如，只有一部分離子液體在裂解時可以提供較高的碳收率與氮含量，而這些離子液體的合成步驟普遍較多，成本較高。在離子液體輔助的電極材料離子熱合成過程中，離子液體與合成前體及中間產物的相互作用規律未被充分揭示，導致對產物結構的預測能力較弱。用作電解質時，離子液體較大的粘度限制了離子的傳輸，尤其是低溫條件下的傳輸，同時一些離子液體及其衍生材料在苛刻條件下的長周期穩定性并沒有通常認為的那樣理想。從經濟角度而言，離子液體及其衍生材料也面臨著不小的挑戰。

【圖文導讀】

圖1 2000年以來Scopus檢索平臺收錄的有關離子液體及其衍生材料在鋰、鈉電池領域研究工作的論文發表數量（截止2017年11月）

圖2離子液體及其衍生材料的結構示意圖以及在鋰、鈉電池中的應用

圖3 含氰基離子液體的典型碳化機制

圖4 離子液體輔助的具有三維分級結構的CuO介晶的制備

左上：單斜CuO沿[100]方向的結構示意圖

右上：[Bmim]⁺離子垂直于CuO的{100}面并沿[010]方向自組裝形成有序結構

下：三維分級CuO介晶形狀演變示意圖

圖5 基于離子液體電解液的雙離子電池充放電過程示意圖

圖6 基于密度泛函計算的不同電解液中MoS₂納米片上的氧還原反應機理示意圖

圖7 含有聚離子液體功能化介孔硅納米片的聚離子液體基離子凝膠電解質

(a) PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FMSiNP電池中Li⁺離子擴散路徑及電極-PIL/IL界面示意圖；

(b) 各種基于離子液體的復合聚合物電解質在不同離子液體負載下的離子電導率.

圖8 含有不飽和官能團的咪唑類離子液體原位電引發聚合在鈉金屬電極表面形成聚離子液體薄膜

(a) 聚離子液體薄膜形成機理示意圖;

(b) 電流密度1 mA cm^-2下，含1 mmol/L NaClO₄的EC/PC電解液中鈉電極表面鈉沉積過程的光學顯微鏡圖像;

(c) 電流密度1 mA cm^-2下，添加20 wt% [Daim][ClO₄]至1 mmol/L NaClO₄的EC/PC電解液之后鈉電極表面鈉沉積過程的光學顯微鏡圖像（比例尺：50μm）.

【結論與展望】

在鋰、鈉電池領域，離子液體及其衍生材料的生命力將主要存在于那些常規材料難以取得突破的地方，例如需要在高溫、高壓或開放環境下穩定運行的電池系統。為了推動相關研究的應用進程，亟待設計開發粘度更小、穩定性更好、成本更低的新型離子液體，并且更深入地研究離子液體及其衍生材料對電池性能的影響機制。另一方面，與純離子液體相比，由離子液體與較為廉價的傳統材料組合形成的復合/雜化材料在經濟上更有競爭力，而且能夠克服純離子液體在性能上的一些不足之處。離子液體-分子溶劑混合電解液、離子凝膠等都是日益受到重視的復合/雜化材料。在這些體系中，深入理解復合/雜化材料各個組成部分之間復雜的相互作用至為重要，是獲得多組分協同效應、在降低離子液體消耗的同時最大程度利用其優點的關鍵所在。

論文的第一作者是浙江大學的楊啟煒副研究員，邢華斌教授與Sheng?Dai教授為共同通訊作者。浙江大學博士生張照強、美國橡樹嶺國家實驗室Xiao-Guang?Sun研究員及中科院胡勇勝研究員是論文的共同作者。

全文鏈接：

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.

【作者簡介】

邢華斌，浙江大學求是特聘教授、博士生導師，現任浙江大學化學工程與生物工程學院院長。兼任《化工進展》和《過程工程學報》編委、中國化工學會離子液體專業委員會委員、過程強化專業委員會委員。獲國家杰出青年基金（2017）、教育部青年長江學者（2016）、首屆國家基金委優秀青年基金（2012）、國家萬人計劃青年拔尖人才（2014）、教育部新世紀優秀人才（2013）和浙江省杰出青年基金的資助，獲中國新銳科技人物特別貢獻獎（2016）、中國石化聯合會青年科技突出貢獻獎（2015）、中國化工學會“侯德榜化工科學技術青年獎” （2016）和浙江省科技進步一等獎（2014）等獎勵，2017和2018年度連續入選美國化學會Ind. Eng. Chem. Res期刊有影響力研究者。主要從事化工分離過程、低碳烴純化和天然藥物分離等方向，涉及離子液體、離子雜化多孔材料（陰離子柱撐雜化超微孔材料和微孔聚合物）的設計、制備及在碳烴及天然藥物分離中的應用。發表SCI論文110余篇，其中以通訊作者在Science, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., AIChE J.等期刊上發表論文60余篇，多篇論文被選為封面、封底及VIP文章被重點報道.

Sheng?Dai，美國橡樹嶺國家實驗室首席科學家(高級研究員，納米材料組Group Leader)、UT-Knoxville?大學教授。1984年和1986年在浙江大學化學系獲得學士和碩士學位，1990年在美國田納西大學獲得博士學位。其研究方向涉及介孔碳、介孔氧化物和離子液體等納米材料在能源儲存、分離和多相催化中的應用。在國際重要期刊上發表論文600余篇，其中在Nature Nanotechnology、Nature Communications、JACS、Angew Chem Int Edit、Advanced Materials等頂級學術期刊上發表論文60余篇，被他人引用30000余次，H-因子89。擁有20余項有關離子液體、熔鹽和多孔材料在能源中應用的美國發明專利。其研究獲得Battelle S&T Challenges Award（2002），four R&D100 Awards (2010, 2011, two in 2014)以及Battelle Distinguished Inventor Award.

相關系列研究獲得了國家自然科學基金杰出青年科學基金、國家自然科學基金面上項目和美國能源部項目等的大力資助。

本文由邢華斌課題組供稿，材料牛整理編輯。

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