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電解質(zhì)是所有電池體系中的關(guān)鍵組分，對(duì)電池穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、安全性等有著重要的影響。電解質(zhì)作為離子傳輸?shù)拿浇椋瑢?duì)離子具有傳導(dǎo)能力而對(duì)電子傳導(dǎo)是絕緣的。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的分子式的液態(tài)電解質(zhì)體系存在著易燃易揮發(fā)、高毒性、物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等固有的缺點(diǎn)，對(duì)于提高電池安全性十分不利。有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)成為了高壓、高溫、開(kāi)放電池體系發(fā)展的瓶頸。而離子液體憑借其高安全性等優(yōu)勢(shì)逐漸成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。本部分將不同類型的離子液體電解質(zhì)進(jìn)行了分類總結(jié)。

1、溶有Li/Na 鹽類的離子液體電解質(zhì)

溶有鋰/鈉鹽的離子液體電解質(zhì)可以通過(guò)調(diào)控陰陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)來(lái)滿足高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口、穩(wěn)定的界面性質(zhì)等不同需求。可是實(shí)際上能夠作為電解液使用的離子液體種類十分有限，陽(yáng)離子種類主要包括非官能化的咪唑、吡咯烷基、含磷陽(yáng)離子等，而陰離子主要是[BF4]-、[TFSI]-、[FSI]-、[PF6]-等高穩(wěn)定性低粘度的物種。離子液體電解質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)與陰陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。比如，電解質(zhì)的粘度會(huì)隨著陽(yáng)離子半徑的增大而增大而離子電導(dǎo)率則會(huì)相應(yīng)降低；在有機(jī)陽(yáng)離子中引入含醚的官能團(tuán)則會(huì)獲得粘度更低的離子液體物種。

對(duì)于Li/Na離子電池來(lái)講，離子液體電解質(zhì)能夠賦予電池更高的安全性、更高的容量利用率和庫(kù)倫效率，這在高電壓和高溫操作條件下表現(xiàn)得尤為突出。離子液體電解質(zhì)對(duì)于穩(wěn)定SEI膜的形成作用通常也是改善電池長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性需要考慮的因素，這在硅負(fù)極等體積膨脹十分嚴(yán)重的電極材料中體現(xiàn)的十分顯著。離子液體在電極界面上的少量分解使硅負(fù)極表面生成穩(wěn)定堅(jiān)固的SEI膜，充放電過(guò)程中的庫(kù)倫效率得到極大改善。同樣，離子液體在高電位的分解也可以在正極-電解質(zhì)界面處形成穩(wěn)定的正極材料保護(hù)層，因此正極材料可以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定減少副反應(yīng)發(fā)生。近年來(lái)開(kāi)始備受關(guān)注的雙離子電池在離子液體電解質(zhì)中也表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能。這是因?yàn)殡x子液體的引入提高了電解液的抗氧化穩(wěn)定性，規(guī)避了有機(jī)溶劑電解質(zhì)中廣泛存在的溶劑共嵌入問(wèn)題。

圖4 以離子液體作為電解質(zhì)的雙離子電池充放電工作原理示意圖（Al箔作為負(fù)極，介孔碳微球作為正極）

Li-S電池是一種新型高比能的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，但其發(fā)展受到多硫化物穿梭效應(yīng)的困擾。研究人員很早就將離子液體電解質(zhì)用于S-C復(fù)合正極材料中并獲得了相比傳統(tǒng)有機(jī)溶劑電解質(zhì)更加出色的電化學(xué)表現(xiàn)。這是因?yàn)槎嗔蚧镏虚g體在離子液體電解液中的溶解受到抑制，而且能夠誘導(dǎo)電極-電解質(zhì)界面上電荷轉(zhuǎn)移更快發(fā)生。對(duì)于多硫化物溶解的抑制作用實(shí)際上與離子液體陰離子的給電子能力有關(guān)：較弱給電子能力的陰離子才能有效抑制多硫化物中間體的穿梭效應(yīng)。具有弱路易斯堿性的電荷局域化的[TFSI]-陰離子在Li-S電池中發(fā)揮了重要作用，它不僅能夠解決多硫化物的穿梭問(wèn)題而且可以在負(fù)極界面上產(chǎn)生穩(wěn)定堅(jiān)固的SEI膜。

圖5 基于不同電解質(zhì)體系的Li-S電池中多硫化物溶解和擴(kuò)散機(jī)理示意圖：（a）傳統(tǒng)醚類電解液；（b）基于[PP13][TFSI]的離子液體電解液

2、離子液體與分子性溶劑的雜化電解質(zhì)

由于強(qiáng)烈的離子-離子相互作用和巨大的離子體積，單純的離子液體常常粘度過(guò)大從而導(dǎo)致低離子電導(dǎo)率，這使得離子液體電解質(zhì)在高容量、高倍率電化學(xué)體系中的應(yīng)用受到限制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們將有機(jī)碳酸酯溶劑與離子液體混合在一起形成雜化電解質(zhì)。雜化電解質(zhì)相比純離子液體具備更低的粘度和更高的離子電導(dǎo)，相比純碳酸酯電解液的安全性也更高。此外，雜化的離子液體-分子溶劑電解質(zhì)往往會(huì)帶來(lái)電極-電解質(zhì)界面的優(yōu)化效應(yīng)。

圖6 1M LiTFSI雜化電解質(zhì)體系中的SiO2-IL-TFSI/PC示意圖

3、離子液體-納米粒子雜化電解質(zhì)

金屬鋰電池的實(shí)際應(yīng)用受到不均勻的電化學(xué)沉積和枝晶生長(zhǎng)的阻礙。陰離子移動(dòng)能力減弱的電解質(zhì)對(duì)于枝晶生長(zhǎng)的抑制有較好的效果。雖然離子液體電解質(zhì)相比傳統(tǒng)電解質(zhì)有一定優(yōu)勢(shì)，但其低鋰離子遷移數(shù)對(duì)于鋰枝晶的抑制效果不顯著。近年來(lái)，Archer 等發(fā)展了離子液體維系的納米粒子雜化電解質(zhì)并對(duì)其在金屬鋰負(fù)極中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在這種雜化電解質(zhì)中，離子液體被束縛在納米粒子（如SiO2、TiO2、ZrO2等）的表面，然后納米粒子再與鋰鹽或者含有鋰鹽的分子性溶劑混合。離子液體-納米粒子雜化電解質(zhì)在兩方面可以有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。一來(lái)被束縛的離子對(duì)可以在溶劑中解離出陰離子抑制了負(fù)極表面空間電荷層的產(chǎn)生；二來(lái)納米粒子的抗?jié)B透性和機(jī)械強(qiáng)度能夠減緩已成核枝晶的滲透。

4、溶劑化離子液體電解質(zhì)

近年來(lái)，高濃度的鋰鹽或鈉鹽溶于乙二醇二甲醚形成的熔融態(tài)的溶劑化離子液體電解質(zhì)被作為一類新型的電解質(zhì)體系而廣泛研究。溶劑化離子液體中的陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)與溶劑中配體強(qiáng)烈配位的帶正電荷鋰原子。這種溶劑化離子液體電解質(zhì)的典型代表是等摩爾量的三甘醇二甲醚（G3）與LiTFSI的混合物[Li(G3)1][TFSI]。[Li(G3)1]陽(yáng)離子中的鋰原子通過(guò)四個(gè)氧原子與環(huán)狀的醚實(shí)現(xiàn)配位。由此導(dǎo)致的陰陽(yáng)離子的弱路易斯酸性和弱路易斯堿性對(duì)于抑制Li-S電池中多硫化物的穿梭效應(yīng)作用顯著。