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雙中心陽離子離子液體聚合物、電解質(zhì)及其鋰二次電池的制作方法_2

文檔序號:9857906閱讀:來源:國知局
較好為 1:0. 8~1:2. 0。如果所述離子液體小于0. 5,電解質(zhì)膜會開裂;如果所述離子液體超過3. 0, 會使得電解質(zhì)膜太粘而無法從模具上完整的取下來。
[0071] 在本發(fā)明中,所述聚合物和所述鋰鹽的重量比為1:0. 1~1:0. 5,較好為1:0. 2~ 1:0. 3〇
[0072] 所述雙中心陽離子離子液體聚合物選自聚(N,N,N_三甲基-N-(l-乙烯基咪 唑-3-乙基)銨二(三氟甲基磺酰)亞胺)、聚(二乙基_(Ν,Ν-二甲基-Ν-烯丙基胺-Ν-乙 基)锍二(三氟甲基磺酰)亞胺)、聚(Ν,Ν,Ν-三甲基-N-(l-乙烯基咪唑-3-乙基)銨六 氟磷酸)以及聚(Ν,Ν,Ν-三甲基-Ν-(2-(二乙基氨)乙基甲基丙烯酸酯-戊基)銨二(三 氟甲基磺酰)亞胺)中的至少一種。
[0073] 所述離子液體可選自1,2-二甲基-3-(2-乙氧基乙基)咪唑二(三氟甲基磺酰) 亞胺、N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)銨二(三氟甲基磺酰)亞胺中的至少一 種。
[0074] 前述的電解質(zhì)使用在鋰二次電池中,較好使用在Li/LiFeP04i池中。Li/LiFeP0 4 電池是指以磷酸鐵鋰(LiFeP04)作為正極材料,以鋰(Li)作為負極材料的電池。
[0075] 在本發(fā)明中,還提供一種鋰二次電池,該電池使用前述任一項所述的電解質(zhì)。
[0076] 在本發(fā)明中,前述任一項電解質(zhì)在鋰二次電池中的用途。
[0077] 所述雙中心陽離子離子液體聚合物的制造方法如下:
[0078] 制備該聚合物共分4步反應(yīng):
[0079] 第一步聚合反應(yīng)
[0080] 反應(yīng)原料:
[0081] 含烯烴不飽和基團咪唑類單體;例如:1-乙烯基咪唑、1-丙烯基咪唑、1-乙烯 基-2-甲基咪唑、1-丙烯基-2-乙基咪唑,較好為1-乙烯基咪唑。
[0082] 含烯烴不飽和基團胺類單體,例如:二甲基烯丙基胺、2_(二乙基氨)乙基甲基丙 烯酸酯、二甲氨基乙酯、二甲胺基丙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯,較好為二 甲基烯丙基胺、2_(二乙基氨)乙基甲基丙烯酸酯。
[0083] 聚合反應(yīng)溶劑:芳香烴類或呋喃類物質(zhì),較好為苯、甲苯或四氫呋喃。
[0084] 引發(fā)劑:偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈、偶氮二異丁酸二甲酯。
[0085] 原料:溶劑=1:3-1:10 (質(zhì)量比);原料:引發(fā)劑=1:0. 01-1:0.03 (質(zhì)量比)。
[0086] 聚合類型:自由基均聚。
[0087] 反應(yīng)器為:三口燒瓶。
[0088] 反應(yīng)條件為:在三口燒瓶中加入含烯烴不飽和基團咪唑類單體、或含烯烴不飽和 基團胺類單體,以上述的芳香烴類或呋喃類作為反應(yīng)溶劑,以及上述的引發(fā)劑,在回流狀態(tài) 下攪拌反應(yīng)1-7天,待有固體生成,過濾后用芳香烴類物質(zhì)(如:苯或甲苯)或醚類物質(zhì) (如:石油醚)洗滌固體物,在60-90°C下真空干燥12-72小時,得到含咪唑或胺結(jié)構(gòu)的聚合 物。所制得的含咪唑或胺結(jié)構(gòu)的聚合物含有如下通式的重復(fù)單元:
[0089]
[0090] 其中m為0彡m彡1之間的正整數(shù);η為0彡η彡4之間的正整數(shù)成為氫原子或 C1-C10的直鏈脂肪族烷基,較好氫原子或甲基。
[0091] A1為咪唑或胺結(jié)構(gòu)。
[0092] 其粘均分子量仏為L 0X 10 4~0X 10 5gmol 1 (聚苯乙烯作為標(biāo)樣)。
[0093] 第二步雙溴鹽的制備
[0094] 反應(yīng)原料:
[0095] 選自二溴乙烷、1,3_二溴丙烷、1,4_二溴丁烷、1,5_二溴戊烷和1,6_二溴己烷等 的二溴烷烴,以及三甲基胺、三乙基胺和三丙基胺等的三烷基胺,或二甲基硫醚、二乙基硫 醚和二丙基硫醚等的二烷基硫醚。
[0096] 反應(yīng)溶劑:芳香烴類,較好為苯、甲苯或二甲苯。
[0097] 反應(yīng)物質(zhì)比例:二溴烷烴與三烷基胺或二烷基硫醚的摩爾比在1:1~1:1. 2之間。
[0098] 反應(yīng)器:三口燒瓶
[0099] 反應(yīng)條件為:在三口燒瓶中加入二溴烷烴以及三烷基胺或二烷基硫醚,以及芳香 烴類反應(yīng)溶劑(如:苯、甲苯或二甲苯),攪拌反應(yīng)3-15天,有固體生成,過濾后,將固體溶 解在醇類物質(zhì)(如:甲醇)或酮類物質(zhì)(如:丙酮)中形成混合物,混合物在-30-0°C保存 8-36小時,過濾,收集濾液,減壓蒸餾除去溶劑,真空干燥2-5天,得到溴烷基三烷基銨溴鹽 或漠烷基^烷基疏漠鹽。
[0100] 第三步親核取代反應(yīng)
[0101] 反應(yīng)溶劑:醇類,代表性的有甲醇、乙醇或丙醇;酮類,代表性的有丙酮。
[0102] 反應(yīng)物質(zhì):由第一步聚合反應(yīng)得到的含咪唑或胺結(jié)構(gòu)的聚合物,和由第二步的雙 溴鹽的制備得到的溴烷基三烷基銨溴鹽或溴烷基二烷基锍溴鹽。
[0103] 反應(yīng)物質(zhì)比例:由第一步聚合反應(yīng)得到的含咪唑或胺結(jié)構(gòu)聚合物中的前述的重復(fù) 單元與溴烷基三烷基銨溴鹽或溴烷基二烷基锍溴鹽摩爾比在1:1~1:2之間。
[0104] 反應(yīng)器:三口燒瓶。
[0105] 反應(yīng)條件為:
[0106] 在三口燒瓶中加入作為原料的由第一步聚合反應(yīng)得到的含咪唑或胺結(jié)構(gòu)聚合物, 以及溴烷基三烷基銨溴鹽或溴烷基二烷基锍溴鹽,再加入醇類或酮類作為反應(yīng)溶劑,在回 流狀態(tài)下攪拌反應(yīng)2-10天,減壓蒸餾除去溶劑,收集固體,用醇類物質(zhì)(如:乙醇或丙醇) 或酮類物質(zhì)(如:丙酮)充分洗滌,真空干燥12-72小時,得到含溴陰離子雙中心陽離子離 子液體聚合物。
[0107] 第四步:陰離子交換
[0108] 反應(yīng)溶劑冰
[0109] 反應(yīng)物質(zhì):由第三步得到的含溴陰離子雙中心陽離子離子液體聚合物,以及鋰鹽 (例如:四氟硼酸鋰,六氟磷酸鋰,二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰)。
[0110] 反應(yīng)器:三口燒瓶
[0111] 反應(yīng)條件為:
[0112] 在三口燒瓶中加入含溴陰離子雙中心陽離子離子液體聚合物和鋰鹽,將它們混合 溶于水中進行陰離子交換2-8小時,有固體生成,過濾收集固體,再用水洗滌,直到洗出物 用硝酸銀檢測不含溴離子,最后真空干燥1-3天得到雙中心陽離子離子液體聚合物。
[0113] 本發(fā)明的雙中心陽離子離子液體聚合物的粘均分子量1為1. 0X105~1. 0X106g mol 1 (聚苯乙稀作為標(biāo)樣)。
[0114] 所述雙中心陽離子離子液體聚合物的測定方法:4 NMR譜圖。
[0115] 所述離子液體的制造方法:
[0116] 具體詳見參閱文獻 Y. Jin, S. Fang, M. Chai, L. Yang, S. -i. Hirano,工業(yè) & 工程化學(xué) 石開究(Industrial&Engineering Chemistry Research) 2012, 51,11011。
[0117] 例如可由如下方法制得:
[0118] 離子液體通過兩步法制備:
[0119] 第一步將咪唑類或叔胺類與鹵代醚按摩爾比1:1. 1溶解在乙腈中,在磁力攪拌下 回流反應(yīng)48小時,將得到的溴化中間產(chǎn)物用無水乙醚洗滌3次,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去乙醚。
[0120] 第二步再得到的溴化中間產(chǎn)物和二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰按摩爾比1:1. 1溶解 在去離子水中,在室溫下磁力攪拌反應(yīng)6小時,有不溶于去離子水的有機液相生成;再加入 二氯甲烷,磁力攪拌2小時后靜置分層,收集二氯甲烷相,用去離子水洗滌3次,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去 除二氯甲烷,在l〇5°C下真空干燥48小時,最終得到離子液體。
[0121] 所述鋰鹽的制造方法:
[0122] 本發(fā)明所用的鋰鹽為四氟硼酸鋰,六氟磷酸鋰,二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰,均由 森田化工(張家港)有限公司生產(chǎn),作為商品購入。
[0123] 也可以用本領(lǐng)域公知方法制備,例如其中一種為:
[0124] 四氟硼酸鋰制備方法:
[0125] 即LiF溶于無水氫氟酸中(AHF),通入高純BF3,生成新型化合物L(fēng)iBF 4 · HF,低溫 干燥脫HF,得高純四氟硼酸鋰。
[0126] 六氟磷酸鋰制備方法:
[0127] 氟化鋰溶于無水氟化氫中形成LiF · HF溶液,通入高純PF5氣體進入反應(yīng),然后 將溶液冷卻至_20°C以下,六氟磷酸鋰結(jié)晶析出,經(jīng)低溫過濾干燥得到六氟磷酸鋰產(chǎn)品。
[0128] 二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰的制備方法:
[0129] 把加入三乙胺的反應(yīng)器冷卻至一 60°C,溶入定量的氨。邊攪拌邊滴下CF3S02C1后 改在室溫下攪拌3小時。加熱至沸騰,回流反應(yīng)1小時時,然后用二氯甲烷提取,并用水洗2 次。有機液層用18504干燥其所含水分后過濾,取濾液,減壓蒸餾,將得到的混合物加濃硫 酸酸化后減壓蒸餾得到二(三氟甲基磺酰)亞胺((CF 3S02)2NH)。將所得(CF3S02) 2NH用適量 的無水異丙醚溶解。在室溫下邊攪拌邊徐徐加入配合量的化學(xué)純Li2C03,不產(chǎn)生0) 2后,慢 慢加熱并利用反應(yīng)器上的冷卻器,維持沸騰回流反應(yīng)2小時,然后用N2氣流冷卻后加入無 水MgS0 4干燥1小時。將未溶解的MgSO 4和Li 2C03等減壓濾去,濾液經(jīng)減壓蒸餾出溶劑得到粗 產(chǎn)物。產(chǎn)物中加入無水二氯甲烷,析出結(jié)晶過濾并在150°C下干燥取得純凈的LiN(CF 3S02)2 產(chǎn)品。
[0130] 電解質(zhì)膜的制備
[0131] 組成:雙中心陽離子離子液體聚合物、離子液體以及鋰鹽。
[0132] 取1重量份的雙中心陽離子離子液體聚合物,加入5~15重量份的丙酮或乙腈, 磁力攪拌進行溶解,再加入〇. 5~3. 0重量份、較好為0. 8~2. 0重量份的離子液體和 0. 1~0. 5重量份、較好為0. 2重量份的鋰鹽,在室溫下攪拌反應(yīng)1~5小時后得到透明均 一的混合液。
[0133] 將所得的透明均一的混合液涂布在聚四氟乙烯模板上,然后在40_80°C下真空干 燥8-24小時,得到本發(fā)明的電解質(zhì)膜。
[0134] 本發(fā)明的電解質(zhì)在鋰二次電池中應(yīng)用:
[0135] 本發(fā)明的電解質(zhì)較好使用在Li/LiFeP04i池中。
[0136] 電池的制備和組裝方法:
[0137] 在氬氣保護的手套箱中將電池的正極殼蓋、正極片、所制得的電解質(zhì)膜、負極片、 負極殼蓋按照從下到上順序堆疊放置形成疊層,然后將疊層放置在沖壓機上沖壓,使得電 池的正負極殼蓋相互密閉鎖牢,至此本發(fā)明的的鋰二次電池制備組裝完成。
[0138] 上述所用到的正極殼蓋、正極片、負極片、負極殼蓋等除了本發(fā)明的電解質(zhì)膜以外 的電池部件,都可使用公知方法所制得的相關(guān)電池部件,也可由各種銷售賣家得到。
[0139] 粘均分子量測試方法:
[0140] 使用聚苯乙烯作為標(biāo)樣,使用烏氏粘度計測定聚合物的粘度[η ],再通過公式
[η ]= ΚΜν(其中Κ代表擴張因子,其值與溫度、聚合物、溶劑性質(zhì)有關(guān),Μν代表粘均分子量,
[η ]代表聚合物的粘度)得到粘均分子量Μν。
[0141] 本發(fā)明的電解質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的測定:
[0142] 采用示差掃描量熱分析(DSC)法并利用TA Instruments Q2000型差熱分析儀進 行測定。通常進行二次循環(huán),使用第2次循環(huán)的DSC曲線數(shù)據(jù),得到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度:首先 將電
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