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離子液體的超級電容器和電池應用

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表1一些電化學適用離子液體的性質1

離子液體 熔點 (°C) 粘度 (mm/s 25 °C) 電導率 (mS/cm) 電化學 窗口(V)
1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺?;?亞胺(EMI-TFSI) -17 18 8.8 4.1
1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽(EMI-OTf) -9 43 9.2 4.1
1-丁基-1-甲基吡咯烷雙(三氟甲磺酰)亞胺(BMP-TFSI) -50 71 2.2 5.5
1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(HMI-PF6) -80 548 1 5.5
1-乙基-3-甲基咪唑二氨腈(EMI-DCA) -21 17 27 5.9
1-甲基-3-辛基咪唑四氟硼酸鹽-(MOI-BF4) -88 422 0.43 6

電化學電容器(超級電容器)
電化學電容器(EC),又稱作超級電容器,是功率平衡的電荷儲存裝置,使用電活性聚合物的氧化還原、金屬氧化物或碳質材料儲存電能。充電過程中,EC電極被還原(陰極)和被氧化(陽極)來儲存電能,之后在放電過程中電能被釋放,電極材料則回到中性狀態。圖3解釋了IV型EC的一般運行,結合p型摻雜(陽極)和n型摻雜(陰極)聚合物以達到最高儲能。

基于電活性聚合物的電化學電容器示意圖


圖3.
以電活性聚合物為基礎的電化學容器原理圖顯示充電(左)和放電(右)期間的電子流動和離子運動。充電期間,陰極(n摻雜)聚合物帶負電,電解液中陽離子進入電極補償電荷。同時,陽極(p摻雜)聚合物帶正電,電解液中陰離子進入電極補償電荷。放電期間,兩極聚合物都回到中性狀態,離子也回到溶液。

EC最重要的應用包括便攜式電子產品的內存保護系統、電力設施的負荷平衡和電動汽車儲能。EC通常比電池提供更多的單位質量功率并且比傳統電容器儲存更多的單位質量能量。因此,它們可用于提供電動汽車的突發功率。所有EC都需要電解液才能運行;使用離子液體7,12后可以棄用揮發性有害溶劑并提高這些裝置的運行穩定性。
鋰離子電池
鋰離子電池在電子消費市場到處可見,最終可能主導商用大型高功率儲能。鋰電池由電解液分隔的嵌鋰氧化物和碳兩種電極組成(圖4)。隨著電池充電,鋰離子從氧化電極移動到碳電極,儲存電能。當電池放電時,鋰離子回到氧化電極,于是電能被釋放。鋰離子傳輸由電解液協助,它通常含有易揮發易燃溶劑。因此,安全性是含有傳統電解液的鋰電池的主要考慮事項。易燃溶劑存在下,短路或局部過熱會導致熱失控、起火甚至爆炸。離子液體替代易燃溶劑提高了電池安全性,對鋰離子電池特別有用。10

鋰離子電池在放電(左)和充電(右)期間的電子流動和鋰離子運動

圖4. 鋰離子電池在放電(左)和充電(右)期間的電子流動和鋰離子運動。

此外,與電化學電容器電解液不同,離子電池電解液必須協助鋰離子傳輸、在高負電位下保持穩定和支持電池的穩定運行。離子液體滿足這些要求是可能的,有好幾個研究團隊正在研究這個領域。10,13試驗過的離子液體包括N-丁基-N-乙基吡咯烷雙(三氟甲基磺?;鶃啺罚?;乙基甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺?;鶃啺罚?;N-甲基-N-丙基吡咯烷雙(三氟甲基磺?;鶃啺罚┖?em>N-甲基-N-丙基哌啶雙(三氟甲基磺?;鶃啺罚?。以上任何一種都可用于制備雙(三氟甲烷)磺酰亞胺鋰鹽溶液,其中鋰離子是活性材料。
極端溫度下的離子液體
隨著對能源生產和儲存的日益關注,對廣泛溫度下運行的電荷儲存裝置的需求也在增長。在汽車行業,電荷儲存裝置理想情況下可在低至-30°C的溫度下運行。14電荷儲存裝置的軍用要求甚至更嚴格,某些應用的目標溫度低至-60°C。15大多數電池在較低溫度下遭遇性能嚴重下降,尤其是-60°C以下。16除了減慢充電/放電過程的動力學之外,較低溫度也會增加電解液粘度,降低電解液輸送電荷的能力。這樣的性質變化導致裝置性能下降或長時間暴露于低溫時故障。低溫對溶液電解液最嚴重的影響之一是降低電解液材料的溶解度,導致鹽沉淀和電化學電容器或電池的損壞。根據表1的證據顯示,許多離子液體電解液能在汽車行業要求的適度低溫下運行,但很少能在軍用所需的極低溫度下運作。17更挑戰的是這些電解液要在同樣的寬溫度區間支持各種單體/聚合物體系的電化學過程(沉積、氧化、還原、裝置運行15等)。不幸的是,只有少數ILE在極低溫度下保持液態,而它們的粘度對大多數電化學應用而言會變得過高?;旌喜煌x子液體或使用降粘劑可以幫助緩解這個問題。電化學裝置在高達60°C的高溫下的性能也是能量儲存工業中的關注點。14不幸的是,大多數溶劑型電解液在高溫下會遭遇溶劑高揮發性。溶劑蒸發在密封系統中會導致起火和爆炸;而在開放系統中,它會導致電解液沉淀、電荷儲存材料損壞以及電荷儲存能力損失。因此,離子液體極低的揮發性使其成為用于高溫的電解液的優異選擇。

純度要求

儲能應用中電解液的純度對于電化學裝置的穩定性和性能十分重要。離子液體也不例外。根據離子液體制備所用的合成路線,材料中的雜質可能包括水、多余陽離子或陰離子、或其他溶劑。就算痕量污染物也會導致不良副反應并影響EAP型裝置的性能。因此,氯化物和水雜質已證明會影響離子液體的粘度。21, 22微量(幾ppm)溶劑例如氧化鋁和二氧化硅也會導致電化學性能損失。23生產適合電化學使用的離子液體的純化方法通常涉及柱層析或真空蒸餾(以去除揮發雜質;離子液體本身不會蒸發)。許多使用常用材料的方法已經發表,應該認真遵守。21-23

參考文獻

  1. Galínski, M.; Lewandowski, A.; Stepniak, I.?Electrochim. Acta?2006, 51, 5567.
  2. Pringle, J. M.; MacFarlane, D. R.; Forsyth,?M. Synth. Met.?2005,?155, 684.
  3. Gottesfeld, S.; Ferraris, J. P.; Rudge, A.; Raistrick, I. Electrochim. Acta 1994, 39, 273.
  4. Novák, P.; Müller, K.; Santhanam, K. S. V.; Haas, O. Chem. Rev. 1997, 97, 207.
  5. Monk, P. M. S.; Mortimer, R. J.; Rosseinsky, D. R. Electrochromism:Fundamentals and Applications, VCH, Weinheim, 1995.
  6. Irvin, J. A.; Irvin, D. J.; Stenger-Smith, J. D. Electrically Active Polymers for Use in Batteries and Supercapacitors. in Handbook of Conducting Polymers, 3rd ed.; Skotheim, T., Ed.; Reynolds, J. R., Ed.; Taylor & Francis, Boca Raton, FL, 2008.
  7. Stenger-Smith, J. D.; Webber, C. K.; Anderson, N. A.; Chafin, A. P.; Zong, K.; Reynolds, J. R.?J. Electrochem. Soc.?2002, 149, A973.
  8. Pringle, J. M.?Polymer?2005, 46, 2047.
  9. Zakeeruddin, S. M.; Graetzel, M.?Adv. Funct. Mater.?2009, 19(14), 2187.
  10. Armand, M.; Endres, F.; MacFarlane, D. R.; Ohno, H.; Scrosati, B.?Nature Mater.?2009, 8, 621.
  11. Irvin, D. J.; Stenger-Smith, J. D.; Irvin, J. A. Electrochemical Supercapacitors Based on Poly(Xylyl Viologen)?Polymer Preprints?2007, 48, 150.
  12. Balducci, A.; Henderson, W. A.; Mastragostino, M.; Passerini, S.; Simon, P.; Soavi, F.?Electrochim. Acta?2005, 50, 2233.
  13. Matsumoto, H.; Sakebe, H.; Tatsumi, K.?J. Power Sources,?2006, 160, 1308.
  14. Pesaran, A. A.; Markel, T.; Tataria, H. S.; Howell, D. “Battery Requirements for Plug-In Hybrid Electric Vehicles – Analysis and Rationale,” Conference Paper July?2009?NREL/ CP-540-42240.
  15. Department of Defense Test Method Standard MIL-STD-810G Method 502.5 (Low Temperature).?http://www.dtc.army.mil/publications/MIL-STD-810G.pdf?(accessed October 2009)
  16. Arbizzani, C.; Mastragostino, M.; Scrosati, B. in?Handbook of Conducting Polymers, 2nd ed.; Skotheim, T. A., Ed.; Elsenbaumer, R. L., Ed.; Reynolds, J. R., Ed.; Marcel Dekker, NY?1998.
  17. Aurbach, D.?Electrochim. Acta?2004,?50, 247.
  18. Endres, F.?Electrodeposition?from Ionic Liquids, Abbott, A., Ed.; MacFarlane, D. R., Ed.; Wiley-VCH, Weinheim, Germany,?2008.
  19. Greaves, T. L.; Drummond, C. J.?Chem. Rev.?2008, 108,?206.
  20. Ding, J.; Zhou, D.; Spinks, G.; Wallace, G.; Forsyth, S.; Forsyth, M.; MacFarlane,?D.?Chem. Mater.?2003, 15,?2392.
  21. Seddon, K. R.; Stark, A.; Torres, M. J.?Pure Appl. Chem.?2000, 72, 2275.
  22. Zhang, J.; Bond, A. M.?The Analyst?2005, 130,?1132.
  23. Clare, B. R.; Bayley, P. M.; Best, A. S.; Forsyth, M.; MacFarlane, D. R.?Chem. Commun.?2008, 2689.
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