咪唑类聚离子液体材料的制备、修复及功能化

1、咪唑类聚离子液体材料的制备、修复及功能化自修复材料作为一种新型的智能材料 , 能够及时修复材料在使用过程中产生 的裂纹等损伤 , 提高材料的使用寿命和可靠性 , 被广泛的研究和关注。其中 , 开发 新型的作用方式来构建自修复材料和发展自修复的功能材料 , 是本征型自修复材 料研究的主要发展方向。聚离子液体作为一种新型的功能性聚合物材料, 具有不易燃、不挥发、电化学窗口宽、热稳定性高和易加工等优点 , 特别是咪唑类聚离 子液体材料因为性质优异 ,已经被广泛应用于锂离子电池 , 超级电容器等领域。因此,进一步拓展咪唑类聚离子液体材料的应用范围 , 具有十分重要的价值。 此外, 这类聚离子液体在使用

2、的过程中会面临着各种机械损伤和内部损伤 ,导致 材料的使用寿命和可靠性降低 ,甚至影响相关器件的性能。 因此,开发自修复型咪 唑聚离子液体材料具有重要的应用价值 ,但是目前研究还比较少 , 如何赋予咪唑 类聚离子液体自修复性能又不影响材料自身优异的性质仍然是一个挑战。基于此, 本论文围绕咪唑类聚离子液体展开 , 从咪唑类聚离子液体材料的制 备、修复以及进一步的功能化开展了一系列的工作。 开发了自修复聚离子液体材 料, 实现了对损伤的修复以及功能化 , 并首次将自修复聚离子液体材料应用于锂 离子电池电解质和硅负极粘结剂领域 , 有效地提高了这类锂离子电池的使用寿命 和可靠性 ,具体如下:1. 利

3、用聚离子液体自身结构特点 , 开发了一类新型自修复聚 离子液体材料。我们通过改变聚离子液体共聚物上阴离子的尺寸 , 调控聚离子液 体中阴-阳离子对之间的静电相互作用和聚合物链段的运动能力 , 实现了聚离子 液体材料的修复。通过研究发现当聚离子液体共聚物上含有大尺寸的平衡离子具有良好的修 复性能, 而含有溴离子时无法实现修复。该类自修复聚离子液体材料不需要对聚 离子液体的结构进行化学修饰即可实现修复 , 保持了聚离子液体材料的优良性质。2.以聚离子液体为骨架 , 利用超分子作用力 ,制备了一种可修复的离子凝胶固态 电解质, 该离子凝胶电解质展现出了优异的综合性能 ,包括高的电导率 ,柔韧性, 热

4、稳定性和对锂金属的粘附性。通过在聚离子液体侧链上引入可形成四重氢键的基团 , 可以形成动态的四重 氢键交联网络 , 同时利用静电相互作用来有效负载离子液体和锂盐 ,最终得到具 有高的室温电导率(10^-3 S/cm)的离子凝胶电解质。由于该离子凝胶 电解质与金属锂负极具有很好的粘附性 , 可以有效的降低界面电阻 , 抑制锂枝晶 的生成,使锂金属电池表现出了良好的循环稳定性。此外 ,由于氢键的可逆性 ,该 离子凝胶电解质具有良好的自修复性 , 能够及时修复电解质在使用过程中产生的 损伤, 提高锂金属电池的使用寿命和可靠性。3.利用自修复的聚离子液体与P

5、AA复合制备了一种新型硅负极粘结剂，该粘 结剂能够适应硅负极在充放电过程中自身体积的巨大变化 ,降低对电极的破坏 , 防止活性物质从电极表面脱落 , 改善硅负极的循环稳定性。 此外, 由于聚离子液体 自身具有良好的离子电导率 , 有利于锂离子在电极中的传输 , 降低电池的内阻。 将 该粘结剂与 Si 等涂成电极片并组装成电池 ,该电池循环 100周期后, 电池容量仍 可以保持在2000 mAh/g左右,库伦效率在99%以上。该方法首次验证了聚离子液体作为硅粘结剂仍具有优异的性能 , 拓展了聚离 子液体的应用 , 该新型的聚离子液体粘结剂有望在未来得到进一步应用。 4. 利用 直接复合的方法制备了一种可快速修复 ,并且具有耐酸性的聚电解质复合物凝胶。 该复合物凝胶是通过将低电荷密度、高柔性的咪唑类聚离子液体与聚苯磺酸钠、 二氧化硅的溶液在酸性条件下直接复合并将复合物压实得到。该复合物水凝胶可以在硫酸溶液（1 M中稳定存在，并且由于采用了高柔韧性和低电荷密度的聚离子液体 , 得到的复合物凝胶具有优异的修复性能。此外