包含碳量子点离子化合物电解质的电化学元件制造技术

本发明专利技术涉及包含碳量子点离子化合物电解质的电化学元件，更详细而言，涉及包含第一电极、与上述第一电极隔离的第二电极、以及填充于上述第一电极和第二电极之间的电解质的电化学元件，上述电化学元件的特征在于，上述电解质包含平均直径为0.1至8纳米(nm)范围、表面电荷为‑20以下的石墨烯量子点阴离子与金属阳离子的盐形态的碳量子点离子化合物，本发明专利技术通过将碳量子点离子化合物用作电解质从而能够提供元件的可靠性、效率和耐久性大幅提高的电化学元件，上述碳量子点离子化合物的提高与特定阳离子的选择性离子电导率以及抑制元件内由电解质导致的副反应，从而能够提高元件的可靠性和性能，而且液相、凝胶以及固相均可应用，因而其应用性高。

Electrochemical elements of ionic compound electrolytes containing carbon quantum dots

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含碳量子点离子化合物电解质的电化学元件
本专利技术涉及包含碳量子点离子化合物电解质的电化学元件，更详细而言，涉及包含第一电极、与上述第一电极隔离的第二电极、以及填充于上述第一电极和第二电极之间的电解质的电化学元件，上述电化学元件的特征在于，上述电解质包含平均直径为2至12纳米(nm)范围、表面电荷为-20以下的石墨烯量子点阴离子与金属阳离子的盐形态的碳量子点离子化合物。
技术介绍
随着新再生能源的利用快速增长，提高二次电池、电致变色装置以及染料敏化太阳能电池之类的电化学元件的效率和可靠性的必要性变高。另一方面，电解质通过溶液中的离子的移动和交换来形成电极与溶液间的电阻接触，因此对于电化学元件的工作而言是必须的构成要素。电解质虽不直接参与氧化/还原反应，但支援电化学反应。电解质可以分为液体电解质、陶瓷电解质、无机固体电解质和高分子电解质等，近年来，对于具有适合于电致变色元件的加工性和机械强度以及工作温度等的高分子电解质的关注度变高。但是，以往电致变色元件由于对电极层和电致变色层与电解质接触而离子(H+、Li+等)的插入和脱嵌的可逆性受损，从而在稳定性方面存在问题。对于目前主要使用的液体电解质而言，存在着火、蒸发、泄露之类的稳定性问题。另一方面，虽然固体电解质与液体电解质相比稳定性仍优，但是离子电导率低，存在界面接触电阻增加和发生由此导致的元件裂化现象等之类的问题。在包含导电性盐的电解质中发生复杂的现象。例如，当盐的浓度增加时，由于粘度增加，在离子的扩散系数下降的同时离子电导率会变低。此外，由于与电极或其他物质的副反应，在确保元件的稳定性方面存在困难。特别是，金属阳离子的低扩散系数和迁移数导致的电化学元件可靠性降低会成为问题，例如，锂二次电池的情况下，锂离子与离子性液体间存在竞争。在锂离子的扩散系数比构成离子性液体的阳离子低的情况下，锂离子难以接近电极表面而锂离子可能无法插入至电极内部。因此，不发生电化学反应。此外，目前商业上使用的锂离子电池中，主要应用LiPF6作为电解质，这是因为，LiPF6的离子移动性、离子对解离度、溶解度、SEI形成等物性整体优异。但是，LiPF6存在热稳定性差，即使微量的水分也发生副反应等问题，尤其在温度上升时，由于如下副反应，因而存在使电解质的持续分解加速，产生气体而使电池膨胀，甚至引发爆炸的副作用。LiPF6(s)+H2O(g)→LiF(s)+OPF3(g)+2HF(g)(2)另一方面，电致变色元件(electrochromicdevice：ECD)是指施加电场时电致变色物质的颜色因电致氧化还原反应而发生变化从而改变透光特性的元件，作为利用上述电致变色元件的应用制品中最成功的制品，有夜间自动调节来自后方的眩光的车辆用后视镜、能够根据光的强度进行自动调节的窗户即智能窗(smartwindow)。智能窗具有在日照多时使颜色变暗以减少光量，在阴天变成浅色而节能效率优异的特性。此外，正在持续进行着想要应用于电光板或电子书(e-book)等显示器等的开发。电致变色元件与电池的构成要素相似，是指电致变色层(阳极)/电解质(Li+、H+)/对电极层(阴极)薄膜化而成的元件。简单说明电致变色的原理：如果向作为还原着色物质的电致变色层(WxOy、MoxOy等)注入Li+或H+之类的阳离子和电子则形成着色，如果放出则变得透明。相反，如果向作为氧化着色物质的对电极层(VxOy、NixOy等)放出Li+或H+之类的阳离子和电子则形成着色，如果注入则变得透明。构成电致变色元件的电致变色层分为还原着色物质和氧化着色物质，还原着色物质是获得电子时形成着色的物质，代表性地，钨氧化物被大量研究。相反，氧化着色物质是失去电子时形成着色的物质，作为代表例，有镍氧化物或钴氧化物等。此外，作为代表性的电致变色物质，有V2O5、Ir(OH)x、NiOxHy、TiO2、MoO3等无机金属氧化物和PEDOT(聚-3,4-乙撑二氧噻吩(poly-3,4-ethylenedioxythiophene))、聚吡咯、聚苯胺、聚聚噻吩、聚吡啶、聚吲哚、聚咔唑、聚嗪、聚醌等导电性高分子，并且有紫罗碱、蒽醌、吩噻嗪等有机变色物质。为了提高电致变色元件的安全性和变色效率，开发了使变色物质直接附着于工作电极(workingelectrode)的方法。这样的情况下，一定要使离子存储介质形成于对电极且在两电极之间包含电解质才能完成电致变色元件的电路。因此，为了实现高效率、高稳定性的电致变色元件，有必要提高电解质、变色物质以及离子存储介质物质的电化学特性，并且改善电致变色元件内的结构。作为电致变色物质而受到广泛研究的钨氧化物是在电致变色元件内与所插入的锂离子进行非可逆化学反应，使锂离子受困于电致变色元件的各层，由此电致变色元件的各层发生分解，分离成薄片层而电致变色元件的特性下降，在短时间内不能再进行电致变色或变形为可能导致元件漏电的物质，因此会丧失作为电致变色元件的功能(N.J.Dudney,J.PowerSources,89(2000)17；G.Leftheriotis,S.Papaefthimiou,P.Yianoulis,太阳能材料和太阳能电池(SolarEnergyMaterialsandSolarCells),83(2004)115)。为了解决这些问题，提出了一些尝试。近年来，将以纳米尺度的有机/二氧化硅混合物质(NOHM)为基材的无溶剂性(solvent-free)混合电解质与锂盐组合在了一起[Nugent,J.L.等人,Adv.Mater.,2010,22,3677；Lu,Y.等人,J.Mater.Chem.,2012,22,4066]。该电解质具有均匀分散的纳米粒子核，该粒子上共价结合有聚乙二醇(PEG)链。该电解质因自悬浮而提供均质的液体，这里，PEG低聚物同时发挥作为对于纳米粒子核的悬浮介质以及用于锂离子传输的离子-导电性网络的作用。此外，WO2010/083041公开了包含由锂盐掺杂而成的聚合物电晕体、即附着于无机纳米粒子核的聚合物电晕体的NOHM系混合电解质。此外，chaefer,J.L.等人(J.Mater.Chem.,2011,21,10094)公开了与由锂盐、尤其锂双(三氟甲砜酰亚胺)掺杂而成的低聚物-PEG链的稠密刷(densebrush)供价结合的SiO2纳米粒子系混合电解质。该电解质由聚乙二醇二甲醚(PEGDME)制造，提供优异的离子导电性。但是，锂盐的阴离子通过电解质而自由移动，电流的2/3随阴离子迁移，因而发生高浓度的极化现象，由此产生内部电阻以及电压损失。此外，韩国公开专利公报第10-2015-0004124号公开了一种纳米微粒子有机混合物质，其特征在于，包含通过连接基团与有机钠盐或有机锂盐中的一种以上的阴离子共价接枝(covalentlygrafted)而成的无机纳米粒子，上述纳米微粒子混合物质具有如下化学式(I)。上述式中，Np表示无机纳米粒子；L为选自C1-C6亚烷基和苯基-C1-C4-亚烷基中的连接基团；为有机钠盐或有机锂盐的阴离子；X+为钠或锂阳离子。此外，韩国本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学元件，其特征在于，包含第一电极、与所述第一电极隔离的第二电极、以及填充于所述第一电极和第二电极之间的电解质，且在所述第一电极和第二电极中的至少一个电极发生可逆电化学氧化还原反应，/n所述电解质包含平均直径为0.1至8纳米(nm)范围、表面电位为-20mV以下的碳量子点阴离子与金属阳离子的盐形态的碳量子点离子化合物。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170524 KR 10-2017-0064231;20180523 KR 10-2018-001.一种电化学元件，其特征在于，包含第一电极、与所述第一电极隔离的第二电极、以及填充于所述第一电极和第二电极之间的电解质，且在所述第一电极和第二电极中的至少一个电极发生可逆电化学氧化还原反应，
所述电解质包含平均直径为0.1至8纳米(nm)范围、表面电位为-20mV以下的碳量子点阴离子与金属阳离子的盐形态的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林弘澈，
申请(专利权)人：格拉夫埃尼德科技株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR