咪唑類聚離子液體材料的制備、修復(fù)及功能化

1、咪唑類聚離子液體材料的制備、修復(fù)及功能化自修復(fù)材料作為一種新型的智能材料 , 能夠及時(shí)修復(fù)材料在使用過程中產(chǎn)生 的裂紋等損傷 , 提高材料的使用壽命和可靠性 , 被廣泛的研究和關(guān)注。其中 , 開發(fā) 新型的作用方式來構(gòu)建自修復(fù)材料和發(fā)展自修復(fù)的功能材料 , 是本征型自修復(fù)材 料研究的主要發(fā)展方向。聚離子液體作為一種新型的功能性聚合物材料, 具有不易燃、不揮發(fā)、電化學(xué)窗口寬、熱穩(wěn)定性高和易加工等優(yōu)點(diǎn) , 特別是咪唑類聚離 子液體材料因?yàn)樾再|(zhì)優(yōu)異 ,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池 , 超級(jí)電容器等領(lǐng)域。因此,進(jìn)一步拓展咪唑類聚離子液體材料的應(yīng)用范圍 , 具有十分重要的價(jià)值。 此外, 這類聚離子液體在使用

2、的過程中會(huì)面臨著各種機(jī)械損傷和內(nèi)部損傷 ,導(dǎo)致 材料的使用壽命和可靠性降低 ,甚至影響相關(guān)器件的性能。 因此,開發(fā)自修復(fù)型咪 唑聚離子液體材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值 ,但是目前研究還比較少 , 如何賦予咪唑 類聚離子液體自修復(fù)性能又不影響材料自身優(yōu)異的性質(zhì)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)?；诖? 本論文圍繞咪唑類聚離子液體展開 , 從咪唑類聚離子液體材料的制 備、修復(fù)以及進(jìn)一步的功能化開展了一系列的工作。 開發(fā)了自修復(fù)聚離子液體材 料, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)損傷的修復(fù)以及功能化 , 并首次將自修復(fù)聚離子液體材料應(yīng)用于鋰 離子電池電解質(zhì)和硅負(fù)極粘結(jié)劑領(lǐng)域 , 有效地提高了這類鋰離子電池的使用壽命 和可靠性 ,具體如下:1. 利

3、用聚離子液體自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn) , 開發(fā)了一類新型自修復(fù)聚 離子液體材料。我們通過改變聚離子液體共聚物上陰離子的尺寸 , 調(diào)控聚離子液 體中陰-陽離子對(duì)之間的靜電相互作用和聚合物鏈段的運(yùn)動(dòng)能力 , 實(shí)現(xiàn)了聚離子 液體材料的修復(fù)。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚離子液體共聚物上含有大尺寸的平衡離子具有良好的修 復(fù)性能, 而含有溴離子時(shí)無法實(shí)現(xiàn)修復(fù)。該類自修復(fù)聚離子液體材料不需要對(duì)聚 離子液體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)修飾即可實(shí)現(xiàn)修復(fù) , 保持了聚離子液體材料的優(yōu)良性質(zhì)。2.以聚離子液體為骨架 , 利用超分子作用力 ,制備了一種可修復(fù)的離子凝膠固態(tài) 電解質(zhì), 該離子凝膠電解質(zhì)展現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合性能 ,包括高的電導(dǎo)率 ,柔韌性, 熱

4、穩(wěn)定性和對(duì)鋰金屬的粘附性。通過在聚離子液體側(cè)鏈上引入可形成四重氫鍵的基團(tuán) , 可以形成動(dòng)態(tài)的四重 氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò) , 同時(shí)利用靜電相互作用來有效負(fù)載離子液體和鋰鹽 ,最終得到具 有高的室溫電導(dǎo)率(10^-3 S/cm)的離子凝膠電解質(zhì)。由于該離子凝膠 電解質(zhì)與金屬鋰負(fù)極具有很好的粘附性 , 可以有效的降低界面電阻 , 抑制鋰枝晶 的生成,使鋰金屬電池表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外 ,由于氫鍵的可逆性 ,該 離子凝膠電解質(zhì)具有良好的自修復(fù)性 , 能夠及時(shí)修復(fù)電解質(zhì)在使用過程中產(chǎn)生的 損傷, 提高鋰金屬電池的使用壽命和可靠性。3.利用自修復(fù)的聚離子液體與P

5、AA復(fù)合制備了一種新型硅負(fù)極粘結(jié)劑，該粘 結(jié)劑能夠適應(yīng)硅負(fù)極在充放電過程中自身體積的巨大變化 ,降低對(duì)電極的破壞 , 防止活性物質(zhì)從電極表面脫落 , 改善硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。 此外, 由于聚離子液體 自身具有良好的離子電導(dǎo)率 , 有利于鋰離子在電極中的傳輸 , 降低電池的內(nèi)阻。 將 該粘結(jié)劑與 Si 等涂成電極片并組裝成電池 ,該電池循環(huán) 100周期后, 電池容量仍 可以保持在2000 mAh/g左右,庫倫效率在99%以上。該方法首次驗(yàn)證了聚離子液體作為硅粘結(jié)劑仍具有優(yōu)異的性能 , 拓展了聚離 子液體的應(yīng)用 , 該新型的聚離子液體粘結(jié)劑有望在未來得到進(jìn)一步應(yīng)用。 4. 利用 直接復(fù)合的方法制備了一種可快速修復(fù) ,并且具有耐酸性的聚電解質(zhì)復(fù)合物凝膠。 該復(fù)合物凝膠是通過將低電荷密度、高柔性的咪唑類聚離子液體與聚苯磺酸鈉、 二氧化硅的溶液在酸性條件下直接復(fù)合并將復(fù)合物壓實(shí)得到。該復(fù)合物水凝膠可以在硫酸溶液（1 M中穩(wěn)定存在，并且由于采用了高柔韌性和低電荷密度的聚離子液體 , 得到的復(fù)合物凝膠具有優(yōu)異的修復(fù)性能。此外