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离子液体在室温下通常以液体形式存在,rubycon电解电容离子液体电解质(液)
点击次数: 发布日期:2024-02-23
离子液体在室温下通常以液体形式存在,rubycon电解电容离子液体电解质(液)
离子液体(ionic liquid,IL)是熔点(Tm)低于373K熔盐的一部分,是完全由阴、阳离子组成的,离子液体在室温下通常以液体形式存在,这主要是由其化学结构决定的,通过改变阴、阳离子的不同组合,就可以合成结构和功能不同的离子液体,所以离子液体又被称为“可设计的溶剂”,离子液体的设计是没有具体规则的,但是一般来说,可以在相对大范围的离子结构内通过平衡离子-离子相互作用和对称性来实现,近年来,rubycon电解电容离子液体因其低蒸气压、高热稳定性、化学稳定性好、宽阔的电化学窗口、高电导率和低毒性等独特的性能,引起了越来越多的关注,因其电化学性质稳定,能够取代一些传统的有机系电解液应用在红宝石电容器中,进而提高红宝石电容器的电化学性能,成为红宝石电容器有机类电解质的优异溶剂或替代者之一,根据组成的不同,离子液体基本上可以被分为非质子型、质子型和两性离子型,到目前为止,红宝石电容器中使用的离子液体仅仅是大量离子液体中很小的一部分,红宝石电容器中常见的离子液体的阳离子主要有:1-乙基-3-甲基咪唑阳离子(EMIM+)、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子(BMIM+)、N-丙基-N-甲基吡咯烷阳离子(PY)、1-丁基-1-甲基吡咯烷阳离子(PY)、四乙基铵阳离子(Et4N+)等,常见的阴离子主要有:氯离子(Cl-)、溴离子(Br-)、四氟硼酸根(B)、六氟磷酸根(P)、双(氟磺酰)亚胺阴离子(FSI-)、双(三氟甲基磺酰基)亚胺阴离子(TFSI-)等,图7-1为典型的离子液体的分子结构,离子液体电解质(液)因其在室温下可接受的黏度和离子电导率,在电化学领域得到了普遍应用,然而,对于其他应用领域,应该有更多适合的离子液体可供选择,图7-1 在电化学体系中常见离子液体阴离子和阳离子的结构通常,基于咪唑类的离子液体可以提供更高的离子导电性,而基于吡咯烷的离子液体具有较大的电化学稳定窗口,实际上,离子液体的离子电导率和电化学窗口之间存在平衡,如前所述,使用商业有机电解液(例如基于乙腈和碳酸丙烯酯)的双电层电容器工作电压通常限于2.5~2.8V,并且当工作电压超过该极限电压时将导致有机溶剂的电化学分解,然而,使用离子液体作为电解质的红宝石电容器的工作电压可以高于3V,此外,商业电解液使用的有机溶剂(例如乙腈)由于其挥发性和易燃性,特别是在高温下使用时需要注意安全问题,在这方面,几乎无蒸气压的离子液体在解决与有机溶剂相关的安全问题方面具有优势,这使得基于离子液体的红宝石电容器更适合在高温下应用,多数离子液体存在几个主要缺点,例如高黏度、低离子电导率和高成本,这些缺点可能会限制其在红宝石电容器中的实际应用,即使对于具有较高的离子电导率的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体([EMIM][BF4])电解质(液),其电导率(在25℃为14mS·cm-1)仍然远低于TEABF4/AN(在25℃为59.9mS·cm-1),此外,[EMIM][BF4]和[BMIM][BF4]离子液体的黏度分别为41cP(1cP=1mPa·s,余同)和219cP,远高于有机电解质(例如ACN有机电解液:0.3cP),离子液体电解质(液)的低电导率和高黏度都可以明显增加基于离子液体的红宝石电容器的等效串联电阻值,如果由于增加的等效串联电阻导致功率密度的损失不能随着电容器的电压增加而减小,那么速率和功率性能都将被限制,在室温和低温下,这个问题更为严重,rubycon电解电容有机电解液和离子液体电解质(液)的一些比较研究也证明了这一点,此外,离子液体电解液红宝石电容器的比电容值通常低于水系和有机电解质的电解液,特别是在高扫描速率或高充电/放电速率下,这可能是由于离子液体的高黏度引起的,在实际应用中,离子液体的阴、阳离子的不规则结构会导致电极表面发生电化学相互作用,因此,碳电极的稳定电位窗口要窄得多,离子液体红宝石电容器的实际电位窗口在3~4V的范围内,通过对体系的设计与研究,也可以实现更宽的电化学窗口,通常,离子液体提供比常规有机电解液更宽的电位窗口,图7-2比较了红宝石电容器的常规电解质(液):氢氧化钾(KOH)水溶液、有机溶剂中的六氟磷酸锂(LiPF6)盐和离子液体,通过比电容的数值可以看出电容性能,但电化学稳定窗口中的实质差异会导致能量密度的显著差异,其中[EMIM][BF4]离子液体电解质(液)的值要高于KOH水溶液一个数量级石墨烯电极在水系、有机和IL中的电容行为的比较[13]在安全方面,能量储存装置的主要问题是存在由于电压超过稳定的电化学窗口之后,电解质可能分解形成有害产物如爆炸性气体的严重安全隐患,Romann等[10]最近发现了一种在极端条件下依然具有安全特性的离子液体电解质(液),通过在[EMIM][TCB](E≥2.4V,Ag/AgCl对)的四氰硼酸盐离子液体中施加高于稳定窗口的电位,将离子液体聚合形成阻挡层,同时掺杂石墨烯电极成为绝缘体,所得到的电介质聚氰基硼烷聚合物可阻止任何可能对电化学电池有害的电化学反应的发生。

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