具体实施方式
本发明有机硅醚离子液体电解质材料的合成实例如反应式1所示,含醚链有机硅胺在四氢呋喃(THF)溶剂中与碘甲烷反应,得到相应的阴离子为碘离子的含有机硅醚季铵盐。具体合成步骤详见下面实施例描述。
反应式1
所述含醚链有机硅胺电解质材料可以通过以下方法制备:过量的烷氧醇胺化合物与金属钠反应转化为相应的钠盐,然后在室温下加入氯硅烷化合物,反应体系升温反应48h。用正己烷萃取反应粗产物,常压蒸馏得到无色液体产物(如反应式2)。当反应式2中的n为0时,实施例产物可通过六甲基二硅烷胺与相应的烷氧醇胺在少量金属钠的存在下回流反应,然后直接蒸馏得到产物。
反应式2
含较长聚醚链的化合物的合成也可以通过如反应式3所示路线进行。首先,相应链长的二醇与金属钠和氯硅烷反应转化为有机硅醇化合物,然后与甲烷磺酰氯反应转化为相应的甲烷磺酸酯,再与碘化钠NaI反应转化为相应的有机硅碘化物,最后与二甲胺盐酸盐反应得到相应的有机硅胺化合物。
反应式3
当R3,R4和R5结构中有一个以上等同于ANR1R2或聚醚链的结构时,实施例的合成可通过相应的氯硅烷与相应的醇胺和聚乙二醇甲醚在四氢呋喃溶剂反应,用三乙基胺为酸吸收剂,最后得到产物。如反应式4所示。
反应式4
实施例1:C1EN1ILI
N,N-二甲胺基乙氧基甲基三甲基硅烷(TMSC1EN1)(7g,40mmol)和碘甲烷(6.8g,1.2当量)在50mLTHF溶剂中回流反应8小时,用无水乙醚沉淀出来,然后在用CH2Cl2/Et2O重结晶,得到白色固体([CH3]3SiCH2OCH2CH2)N[CH3]+ 3I-。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):0.033(s,9H,TMS),3.188(s,2H,TMSCH2),3.488(s,9H,NCH3)3),3.91(m,4H,CH2CH2).
13C NMR(600MHz,CDCl3)::0.0000,57.970(t,J=3.6Hz),69.052(t,J=2.7),69.391,72.183.
实施例2:C1EN2ILI
采用实施例1相同的合成方法得到产物,[CH3]3SiCH2OCH2CH2OCH2CH2N[CH3]+ 3I-。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):0.055(s,9H,SiCH3),3.148(s,2H,TMSCH2),3.514(s,9H,NCH3),3.58(t,J=4.5,2H,NCH2),3.67(t,J=4.5,2H,SiCH2N),3.993(s,4H,TMSC1OCH2CH2O).
13CNMR(600MHz,CDCl3):0.00,58.0(t,JC-N=3.5Hz),68.04,68.58,68.77(t,JC-N=2.8Hz),73.476,77.191.
实施例3:C1EN3ILI
采用实施例1相同的合成方法得到产物[CH3]3SiCH2O(CH2CH2O)2CH2CH2N[CH3]+ 3I-。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.052(s,9H,SiCH3),0.388(m,2H,TMSCH2),1.515(m,2H,TMSCCH2),3.349(t,J=7.2,2H,CH2NMe2),3.468(s,9H,NCH3),产3.523(m,2H,CH2N(CH3)2),3.50(m,2H,CH2CH2N(CH3)3),3.995(s,4H,CH2CH2O).
13C NMR(600MHz,CDCl3):0.001,14.160,25.717,56.70,66.785,67.480,71.245,72.348,75.998.
实施例4:C3EN1ILI
采用实施例1相同的合成方法得到产物[CH3]3Si(CH2)3OCH2CH2N[CH3]+ 3I-。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.052(s,9H,SiCH3),0.402(m,2H,TMSCH2),1.50(m,2H,TMSCCH2),3.408(t,J=6.9Hz,2H,CH2OEN1),3.472(s,9H,N(CH3)3),3.872(sbr.,4H,OCH2CH2N).
13C NMR(600MHz,CDCl3):-0.002,14.360,25.651,56.682(t,J=3.45Hz),66.432,67.665(t,J=2.4),76.339.
实施例5:C3EN2ILI
采用实施例1相同的合成方法得到产物[CH3]3Si(CH2)3OCH2CH2OCH2CH2N[CH3]+ 3I-。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.052(s,9H,SiCH3),0.388(m,2H,TMSCH2),1.515(m,2H,TMSCCH2),3.349(t,J=7.2,2H,CH2NMe2),3.468(s,9H,NCH3),3.523(m,2H,CH2N(CH3)2),3.50(m,2H,CH2CH2N(CH3)3),3.995(s,4H,CH2CH2O).
13C NMR(600MHz,CDCl3):0.001,14.160,25.717,56.70,66.785,67.480,71.245,72.348,75.998.
实施例6:C1PrEN1ILI
采用实施例1相同的合成方法得到产物[CH3]3SiCH2OCH2CH2CH2N[CH3]+ 3I-。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.01(s,9H,TMS),2.201(m,2H,OCH2),3.060(s,2H,TMSCH2),3.431(s,9H,NMe3),3.478(m,4H,OCH2CH2),3.607(t,2H,J=7.8Hz,CH2N).
13C NMR(600MHz,CDCl3):0.002,27.078,56.936(t,J=3.5Hz),68.477,73.829.
有机硅醚室温离子液体可以如反应式1所示的方法通过与相应阴离子的锂盐进行离子交换制备。例如,含醚链有机硅碘阴离子季铵盐(20g)与相应阴离子锂盐(1.1当量,本发明实施例为TFSI,其他阴离子的离子液体制备方法相同)溶于50ml干燥丙酮,室温反应4小时。旋转蒸发除去溶剂,然后溶解于CH2Cl2中,分离有机相,有机相用去离子水洗数遍,无水MgSO4干燥,去溶剂后得到产物,最后真空100℃下干燥48小时,从而得到下面相应的离子液体实施例。
实施例7:C1EN1TFSII
通过用TFSI离子取代实施例1化合物的I离子得到。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):0.069(s,9H,TMS),3.212(s,2H,TMSCH2),3.242(s,9H,NCH3)3),3.60(m,2H,CH2CH2),3.84(m,2H,)
13C NMR(600MHz,CDCl3)::-0.002,57.72(t,J=3.8Hz),69.418(t,J=2.6),72.109,123.180(q,J=319.35Hz).
29Si NMR(600MHz,CDCl3):-2.111.
实施例8:C1EN2TFSII
通过用TFSI离子取代实施例2化合物的I离子得到。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.017(s,9H,SiCH3),3.082(s,2H,TMSCH2),3.189(s,9H,NCH3),3.55(m,6H,TMSC1OCH2CH2O CH2),3.88(m,2H,NCH2).C13:.3.66(m,2H,OCH2CH2N),3.95(m,2H,OCH2CH2N).
13C NMR(600MHz,CDCl3):-0.001,57.68(t,J=3.82),67.95,68.68,69.10(t,J=3.0),73.54,77.47,123.01(q,JC-F=319.5).
29Si NMR(600MHz,CDCl3):-2.624.
实施例9:C1EN3TFSI
通过用TFSI离子交换实施例3化合物的I离子得到。
1H-NMR:0.055(s,9H,SiCH3),3.148(s,2H,TMSCH2),3.514(s,9H,NCH3),3.58(t,J=4.5,2H,NCH2),3.67(t,J=4.5,2H,SiCH2N),3.993(s,4H,TMSC1OCH2CH2O).
13C NMR(600MHz,CDCl3):-3.11,54.54(t,JC-N=3.4Hz),64.78,65.34,65.97,70.20(t,JC-N=3.0Hz),74.65,76.84,77.06,77.27,119.77(q,JC-F=321.2Hz).
实施例10:C3EN1TFSI
通过用TFSI离子取代实施例4化合物的I离子得到。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.049(s,9H,SiCH3),0.40(m,2H,TMSCH2),1.51(m,2H,TMSCCH2),3.195(s,9H,N(CH3)3),3.40(t,J=6.9Hz,2H,OCH2CH2N),3.54(t,2H,J=4.8Hz,CH2N).
13C NMR(600MHz,CDCl3):0.001,14.418,25.728,56.364(t,J=3.9),66.206,67.963(t,J=3.0Hz).76.442,121.713(q,J=319.35Hz).
29Si NMR(600MHz,CDCl3):0.722.
实施例11:C3EN2TFSI
通过用TFSI离子取代实施例5化合物的I离子得到。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):-0.007(s,9H,SiCH3),0.455(m,2H,TMSCH2),1.56(m,2H,TMSCCH2),3.265(s,6H,NCH3),3.418(t,J=7.2,2H,SiCH2N),3.59(m,4H,TMSC3OCH 2 CH 2 OCH2);
13C NMR(600MHz,CDCl3):0.003,14.288,25.87,56.344,66.596,67.786,71.360,72.384,76.091,121.64(q,J=319.5Hz).
29Si NMR(600MHz,CDCl3):0.700.
实施例12:C1PrEN1TFSI
通过用TFSI离子取代实施例6化合物的I离子得到。
1H-NMR(600MHz,CDCl3):0.041(s,9H,TMS),2.037(m,2H,OCH2),3.114(s,2H,TMSCH2),3.186(s,9H,NMe3),3.422(m,2H,OCH2CH2),3.504(t,2H,J=5.4Hz,CH2N).
13C NMR(600MHz,CDCl3):0.004,26.996,56.662,68.647,73.968,123.028(q,J=319.35).
29Si NMR(600MHz,CDCl3):-2.361。
表1为实施例7-12离子液体化合物物理性能数据表格。表格数据包括测量的粘度、玻璃化转变温度、燃烧性和25℃下材料的离子电导率,这些材料都不燃烧,具有较高的电导率和合适的玻璃化转变温度和粘度性能。
表1
化合物 η(cP) Tg(℃) σ(mS/cm) 燃烧性
C1EN1TFSI 174 -67 0.73 否
C1EN2TFSI 125 -72 0.78 否
C1EN3TFSI 152 - 0.75 否
C3EN1TFSI 178 -68 0.25 否
C3EN2TFSI 148 -71 0.63 否
C1PrEN1TFSI 230 -64 0.62 否
在电池性能测试中,所使用的电解液,LiPF6来自张家港市国泰华荣化工新材料有限公司,LiFePO4为天津斯特兰能源技术有限公司,隔膜为AsashiChemical Industry公司产品。电解液的配制和电池的组装均在氩气(纯度大于99.9999%)气氛下进行。将LiPF6溶解于碳酸乙酯和碳酸二乙酯(EC∶DEC=1∶2)中配成浓度为1M的电解液,向此电解液中加入10wt%的本发明实施例7化合物C1EN1TFSI。利用LiFePO4和金属锂分别做正、负极,组装成扣式电池(2025),然后在室温(25℃)下用深圳新威电池充放电测试系统中进行充/放电测试,充放电电压2.5V-4.1V。以0.1C或0.2C的恒定电流对电池充电,然后进行恒流充电,放电倍率为0.1C或0.2C。
图1为上述电池的0.2C充放循环性能和电池效率曲线,电池表现出100%的效率和稳定的循环性能,电池的比容量达到147mAh/g。
为做对比,使用商业电解液(1M LiPF6(EC∶DEC=1∶2,含1%碳酸亚乙烯酯VC和1%碳酸乙烯酯VEC),按相同的方法组装扣式电池(2025),然后以0.2C倍率进行充/放电比较测试。对比电池的具有基本相当的比容量、效率和循环性能,但是对两个电池循环50次后的交流阻抗谱的测试结果表明,添加10wt%实施例7化合物C1EN1TFSI能显著改善电池的界面性能。如图2所示,10wt%实施例7化合物电池在高频区对应于固态电解质界面膜(SEI)的阻抗(127Ω)要小于商业电解液电池(185Ω),具有更好的动力学特征。