聚离子液体在电极中的研究及其应用前景

聚离子液体在电极中的研究及其应用前景

李柘言

合肥工业大学能源化工学院2023级

导言：

随着可再生能源和便携式电子设备的快速发展，对高效、安全且环境友好的电化学储能系统的需求日益增长。聚离子液体（PILs），作为一类新型的多功能材料，因其独特的离子导电性、化学稳定性和可设计性，在电极材料和电化学器件中展现出巨大的应用潜力。这些材料不仅继承了离子液体的低挥发性、高热稳定性和宽电化学窗口等优点，还通过聚合过程获得了增强的机械性能和加工性。尽管聚离子液体在电极应用中取得了显著进展，但如何进一步优化其性能以满足特定应用需求，仍是当前研究的热点。例如，提高离子电导率、改善电极/电解质界面兼容性以及开发成本效益更高的合成方法，都是推动聚离子液体商业化应用的关键因素。本文综述了聚离子液体的合成策略、结构特性以及在电极材料中的应用现状。特别关注了聚离子液体作为电解质或电解质添加剂在锂电池、超级电容器等电化学储能设备中的应用。此外，本文还探讨了聚离子液体在智能响应材料和催化剂载体方面的最新进展，并指出了当前研究中存在的挑战和未来的发展方向。

关键词：聚离子液体 电化学储能电化学性能

1聚离子液体的性质与制备

1.1聚离子液体的性质

聚离子液体（Poly(ionic liquid)s，简称PILs）是一种特殊的聚合物，它们在分子结构的重复单元上含有阴离子和阳离子，这些离子基团赋予了它们独特的性质。聚离子液体是离子液体（ILs）的聚合物版本，离子液体是一种室温下为液态的盐，由有机阳离子和无机或有机阴离子组成。

聚离子液体具有以下几个显著特点：

1.1.1离子导电性：由于分子中含有离子基团，聚离子液体通常具有良好的离子导电性，这使得它们在电化学应用中非常有用，如电池和超级电容器的电解质[1]。

1.1.2热稳定性：聚离子液体通常具有较高的热稳定性，因为它们的离子基团通过共价键固定在聚合物链上，这减少了热分解的可能性。

1.1.3化学稳定性：聚离子液体的化学稳定性优于许多传统聚合物，这使得它们在恶劣化学环境下仍能保持性能[2]。

1.1.4可设计性：通过改变聚合物的离子基团或主链结构，可以调节聚离子液体的物理化学性质，以适应不同的应用需求[3]。

1.1.5环境友好性：相比于一些传统溶剂和材料，聚离子液体通常具有较低的毒性和更好的生物降解性。

1.1.6多功能性：聚离子液体不仅可以作为电解质使用，还可以作为催化剂载体、吸附剂、分离材料等。

1.1.7形态多样性：聚离子液体可以是固态、液态或凝胶状，这取决于它们的化学结构和聚合度[4]。

聚离子液体的这些特性使它们在材料科学、化学工程、能源存储和转换、传感器、药物释放系统等领域具有广泛的应用潜力。然而，聚离子液体的合成和加工可能相对复杂，且成本可能较高，这些因素限制了它们的广泛应用。随着研究的深入，聚离子液体的合成方法和应用领域正在不断扩展和优化。

1.2聚离子液体的制备

聚离子液体（PILs）的制备方法多样，可以根据所需的结构和应用进行选择。以下是一些主要的制备方法：

1.2.1自由基引发聚合：通过自由基聚合离子液体单体的方法实现聚离子液体的合成，常见的聚合方法包括溶液聚合、乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合和本体聚合[5]。

1.2.2溶液聚合：将离子液体单体溶于适当的溶剂中，使用引发剂在一定温度下进行聚合。溶剂的选择范围广泛，可以是乙醇、二甲基亚砜(DMSO)、三氯甲烷(CHCl3)、1,4-二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、水或四氢呋喃(THF)等。

1.2.3乳液聚合：在乳化剂作用下，将离子液体单体分散在水中形成乳液，然后通过引发剂引发聚合，形成大孔聚离子液体离子凝胶或多孔材料。

1.2.4分散聚合：在聚合体系中加入分散剂防止聚合物颗粒凝结，形成稳定分散液。这种方法适用于制备微米级单分散聚合物颗粒，如聚离子液体颗粒或微球。

1.2.5悬浮聚合：将可聚合离子液体单体以液滴状态悬浮在连续相中，形成微球或粒子。此方法可以制备具有中空结构的聚离子液体颗粒。

1.2.5本体聚合：在无溶剂及其他分散剂的条件下，直接聚合离子液体单体。这是一种绿色环保的方法，特别适用于膜材料的制备[6]。

1.2.6离子交换：合成得到的聚离子液体可以通过离子交换反应，引入不同的阴离子或阳离子，以调节其溶解性和分散性[7]。

1.2.7真空炭化：使用聚离子液体多孔膜作为前驱体，通过真空炭化方法可以宏量地制备高度石墨化的氮掺杂多孔碳膜[8]。

2聚离子液体在电化学器件中的应用

聚离子液体在电化学器件中的应用，特别是作为聚合物电解质，已经显示出其在电化学储能领域的潜力。它们可以形成三维网络结构，固化液体电解质，从而提供不易泄漏、安全性好的优势，并且可以配合电极材料制备成任意形状，有利于电化学器件向小型化、超薄型化、柔性化方向发展。

苏州大学严锋教授团队在Chem. Soc. Rev. 发表的综述详细介绍了聚离子液体的性质与合成方法，以及形貌结构的控制，并重点整合了近几年聚离子液体功能材料在电化学储能等相关领域的研究与应用

[1]。

此外，聚离子液体的合成可以通过自由基引发聚合离子液体单体的方法实现，并且可以通过自组装、模板等方法来获得不同的形貌结构，为不同领域的应用提供可能 。

在电化学传感领域，离子液体改性电极的研究工作主要集中在其电化学传感应用上，其中多组分薄膜和碳糊电极最为流行[9]。

高新培教授团队在Green Chemistry 发表的论文中，通过设计合成聚离子液体人工固体电解质界面（SEI），实现了水系锌离子电池性能的优化[10]。

聚离子液体在电化学领域的应用不仅限于电解质，还包括作为催化剂、催化剂载体等。例如，PIL–Pt 复合毛细管电极已经被应用于氧还原反应[1]。

聚离子液体（PILs）在电极中的应用主要集中在以下几个方面：

2.1电化学储能设备：聚离子液体因其优异的离子导电性、化学稳定性和不易燃烧等特性，被广泛研究用于电化学储能设备，如锂电池、超级电容器和燃料电池等。它们可以作为电解质或电解质添加剂，提高电池的稳定性和安全性。

2.2电解质材料：在锂电池中，聚离子液体可以作为固态或准固态电解质，解决传统液态电解质的泄漏和安全性问题。它们还可以与电极材料形成稳定的界面，提高电池性能。

2.3智能响应材料：聚离子液体的亲疏水性质可以灵活调控，使其在刺激响应材料领域具有应用潜力。例如，它们可以响应温度、pH、光等外界刺激，用于智能材料和传感器。

2.4催化剂和催化剂载体：聚离子液体的高机械性使其在催化领域具有优势，可以用作催化剂或催化剂载体。通过分子结构设计，可以获得具有特定催化作用的聚离子液体。

2.5碳材料的制备：聚离子液体可以用于制备具有优异电化学性能的碳材料。例如，通过离子液体单体聚合，可以制备出氮掺杂的碳材料，这些材料具有较高的稳定性和电子电导[11]。

2.6电化学合成：聚离子液体在电化学合成导电聚合物方面也有应用，如聚吡咯、聚苯胺等，它们可以提供稳定的反应环境并改善聚合物的电化学性能[12]。

2.7抗菌材料：聚离子液体的独特结构使其具有潜在的抗菌性能，可以开发为新型的抗菌材料[6]。

2.8染料敏化太阳能电池：聚离子液体因其良好的导电性，被用于染料敏化太阳能电池的电解质部分，提高电池的光电转换效率[1]。

综上所述，聚离子液体在电极中的应用研究是一个多方位、跨学科的领域，具有广泛的研究前景和潜在的商业应用价值，其的多功能性和可设计性使其在电极材料和电化学器件中的应用前景广阔，但仍面临电导率、化学稳定性和成本等方面的挑战。随着研究的深入，聚离子液体有望在能源存储、转换和智能材料等领域发挥更大的作用。

3展望

聚离子液体（PILs）作为一种新型的多功能材料，其研究和应用前景广阔。以下是对聚离子液体未来的一些展望：

3.1分子设计创新：通过分子层面的设计，可以开发出更多具有特定性能的聚离子液体，以满足不同应用场景的需求。

3.2合成方法优化：随着合成技术的不断进步，聚离子液体的合成方法将更加高效、环保，降低成本，提高材料的商业化潜力。

3.3性能提升：通过结构优化和复合改性，聚离子液体的离子导电性、热稳定性、机械性能等关键性能将得到进一步提升。

3.4能源存储与转换应用：聚离子液体在锂离子电池、超级电容器、燃料电池等能源存储与转换设备中的应用将进一步扩展，特别是在固态电解质和智能响应材料方面。

3.5智能材料：聚离子液体的智能响应特性将使其在环境响应材料、药物控制释放系统、基因载体等领域发挥重要作用。

3.6催化与吸附：聚离子液体在催化剂载体、吸附剂、分离材料等方面的应用将进一步深化，特别是在提高催化效率和选择性方面。

3.7环境与安全：由于聚离子液体的生物降解性和低毒性，它们在环境友好材料和安全化学品方面具有潜在的应用前景。

3.8商业化与规模化生产：随着技术成熟和市场需求的增长，聚离子液体的生产将逐步实现商业化和规模化，降低成本，提高产量。

3.9跨学科应用：聚离子液体的研究将不断拓展到新的学科领域，如生物医学、纳米技术、光电子学等，形成交叉学科的创新应用。

3.10国际合作与标准制定：随着全球对聚离子液体研究的重视，国际合作将加强，相关的标准和规范也将逐步建立，推动行业的健康发展。

3.11环境影响评估：在未来，对聚离子液体的环境影响进行全面评估将成为研究的重点，确保其在广泛应用的同时，对环境的影响降到最低。

3.12教育与普及：聚离子液体的概念和应用将被更多地纳入教育课程和科普活动，提高公众对其的认识和理解。

聚离子液体的未来发展将依赖于持续的科学研究、技术创新以及市场需求的推动。随着这些因素的相互作用，聚离子液体有望成为未来材料科学领域的重要支柱。

4参考文献

1.Armand, M., Endres, F., MacFarlane, D. R., Ohno, H., & Scrosati, B. (2009). Ionic-liquid materials for the electrochemical challenges of the future.

Nature Materials, 8(8), 621-629. DOI: 10.1038/nmat2440

2.Fernicola, A., & Scrosati, B. (2010). Ionic liquid materials for advanced energy storage. Journal of Power Sources, 196(15), 5991-6002. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.06.059

3.Brazel, C. S., & Rogers, R. D. (2001). Ionic liquids in chemical synthesis. The Chemical Record, 1(4), 225-237. DOI: 10.1002/tcr.20065

4.Liang, G., & Liu, Q. (2015). Poly(ionic liquid)s as novel materials for gas separation and CO2 capture. Journal of Membrane Science, 479, 256-272. DOI:

5.Wenjing Qian,John Texter&Feng YanFrontiers in poly(ionic liquid)s: syntheses and applications. Chemical Society Reviews Issue 4, 2017

6.郭江娜, 周莹杰, 李乐耕，朱子鸣, 潘霁, 严锋聚离子液体功能材料的合成及应用. 中国科学: 化学 2021 年 第 51 卷 第 10 期: 1391 ~ 1405

7.吴柔腾，汪菁晶，沈嘉豪，刘洁，张雯雯，夏于旻新型聚离子液体的合成及其对石墨烯分散性的调控 湖. 州师范学院学报第4２卷　第1０期 　 　

8.Yucheng Wang，Yue Shao,Hong Wang*,andJiayin Yuan* Advanced Heteroatom-Doped Porous Carbon Membranes Assisted by Poly(ionic liquid) Design and Engineering. Accounts of Materials Research 2020, 1, 1, 16–29

9.Marcin Opallo , Adam Lesniewski A review on electrodes modified with ionic liquids.Journal of Electroanalytical Chemistry(IF4.1)Pub Date:2011-06-01, DOI:10.1016

10.Xiao Zhang,Long Su,Fei Lu,Ye Tian,Fengjin Xie,Liping Liang, Liqiang Zheng,&Xinpei GaoTailoring the hydrophobicity and zincophilicity of poly(ionic liquid) solid–electrolyte interphases for ultra-stable aqueous zinc batteries. Green Chemistry Issue 21, 2023

11.能源学人 (2018) Chem. Soc. Rev. 综述：离子液体及其衍生物在锂/钠电池中的应用 电池中国网 http://www.cbea.com/qyjs/201811/202171.html

12.董彬, 徐景坤, 郑利强离子液体应用于电合成导电聚合物. 化学进展 第 21 卷 第 9 期