[发明专利]一种固态化电解质及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属有机框架ZIFs掺杂离子液体的固态化电解质的制备方法及应用，属于固态电解质领域。

背景技术

与液体电解质体系相比，固态电解质具有高安全性，高能量密度和宽的工作温度范围等优点，而且固态电解质的弹性模量高，可以有效的解决锂金属电池树突增长的问题，提高电池的性能。固态电解质的出现和开发为锂离子电池产业的发展和研究注入了新鲜的血液，应用固态电解质的全固态锂离子电池比传统的液态电解质锂离子电池更安全环保，且符合现代社会人们对锂离子电池的个性化要求。

但现有固态电解质在多个方面还不是很理想，如热稳定性差、易漏液、易爆炸等问题等，还有待于进一步提高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种金属有机框架掺杂离子液体的固态化电解质及其制备方法，所述电解质具有良好的热稳定性和安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种固态化电解质，由锂盐、离子液体和金属有机框架组成；其中，所述锂盐和离子液体的总质量与金属有机框架质量比为1～2:1，优选1.5:1；所述锂盐在离子液体中的浓度为0.2mol/L～1.0mol/L，优选1.0mol/L。

所述锂盐选自LiTFSI、LiN(SO₂CF₃)₂、LiCF₃SO₃或LiC(SO₂CF₃)₃中的一种或多种。

所述离子液体为双三氟甲磺酰亚胺盐；优选N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。

所述金属有机框架选自沸石咪唑脂骨架结构材料(ZIFs)，优选ZIF-5、ZIF-7、ZIF-67、ZIF-69、ZIF-95或ZIF-100中的一种或多种。

本发明所述的金属有机框架掺杂离子液体的固态化电解质的制备方法，包括步骤如下：

步骤(1)：在充满保护气体且水分含量少于1ppm的反应装置内，将锂盐和离子液体混合均匀，至锂盐完全溶解，得混合液；

步骤(2)：在混合液中加入金属有机框架，得固态化电解质。

其中，所述步骤(1)中，所述保护气体为纯度≥99％的氮气或氩气。

所述步骤(2)中，加入金属有机框架后，球磨，混合均匀，得到固态化电解质，球磨转速250～400r·min^-1，优选300r·min^-1；或者，加入金属有机框架后，将混合液溶于溶剂，混匀后真空干燥得到固态化电解质，所述真空干燥的工艺参数为75℃～85℃，-110kPa～-90kPa。

本发明还提供上述固态化电解质在电池中的应用，所述电池优选锂二次电池，太阳能电池或超级电容器。

所述锂二次电池的电极活性材料优选LiFePO₄、LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂、LiCoO₂和Li₄Ti₅O₁₂。

本发明的有益效果在于：

本发明所述电解质是利用金属有机框架ZIFs的孔隙结构，填充在孔隙中的离子液体作为离子传导材料，金属有机框架的Lewis酸位点可以促进锂盐的解离，提高电解质中Li⁺的数量，改善电解质性能。另外，本发明所述电解质的组成材料均是不可燃的，耐高温性能好，热分解温度大于200℃，可以使电池高温性能良好且能在较宽温度范围内正常工作。

本发明所述电解质的电化学稳定性优异，氧化电位大于5V(Vs Li/Li⁺)，因而适用于高电压、高容量的锂二次电池、太阳能电池以及超级电容器中。

本发明所述电解质的制备工程简单，所用的都是常规设备，原材料易得，且安全无污染，适合大规模批量生产。

附图说明

图1为采用实施例1中制备的金属有机框架掺杂离子液体的固态化电解质制备的锂二次电池在60℃时的循环性能及库仑效率图。

图2为实施例1-5中制备的金属有机框架掺杂离子液体的固态化电解质的电导率和温度的关系曲线图。

图3为对比ZIF-67的比表面积与实施例1-5中固态化电解质的比表面积。