[发明专利]基于金属-有机框架材料的复合电池隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了基于金属‑有机框架材料的复合电池隔膜及其制备方法和应用，包括以下步骤：(1)合成金属‑有机框架材料前驱体；(2)将金属‑有机框架材料前驱体与二维材料或聚合物材料复合，制得金属‑有机框架材料的复合电池隔膜。所述隔膜孔隙率高、比表面积大，可改善隔膜的电解液浸润性，大大提高了隔膜的离子迁移数；所述隔膜具有孔径可调的优点，合适的孔尺寸可有效控制电解液离子的穿梭，抑制不良副反应的发生，提高电池容量，延长循环寿命；均匀的孔道结构使通过的离子能够均匀地分散在电极表面，从根本上抑制了枝晶的生长，有效延长电池的循环寿命、提高电池的安全性能；具有良好的柔韧性和机械性能，可用于组装实用化的软包电池。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种锂负极保护隔膜，具体为基于金属-有机框架材料的复合电池隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球经济的快速发展，作为主要能源的煤炭、石油和天然气等化石燃料的消耗也急剧增加，造成不可再生能源的日益枯竭和环境污染的日益严重。保护自然资源和环境、开发可再生的清洁能源成为实现人类可持续发展的当务之急。在诸多迅速崛起的新能源技术中，锂/钠二次电池因比能量高、成本低以及环境友好等优点，得到了越来越广泛的关注，其市场延伸到便携式电子设备、电动汽车、航空航天以及军车船舰等领域。

锂/钠二次电池一般是由正负极、隔膜、电解液以及电池外壳组成。其中，隔膜除了可以阻止正负极的直接接触以避免短路之外，还能够吸附电解液使电解液离子通过。目前，市场上使用较多的是聚乙烯或者聚丙烯等聚合物隔膜，该类隔膜具有多孔结构以及较高的孔隙率，但是由于其孔道尺寸较大且不均匀，容易导致诸多问题。在锂或者钠金属为电极的电池中，隔膜不均匀的孔道使得电解液离子在电极表面分布不均匀，容易造成金属枝晶的形成。金属枝晶的不可控生长会破坏电极表面固体电解质界面膜，加速电极材料和电解液的不可逆消耗。更为严重的是，尖锐的树突状枝晶能够刺穿隔膜使两电极接触，造成电池内部短路，带来安全隐患。锂-硫电池是通过硫-硫键的断裂/生成来实现电能和化学能相互转化的一类新型锂二次电池体系。在锂-硫电池充放电过程中，正极充放电中间产物聚硫化合物易溶于有机电解液，由于传统隔膜的孔道尺寸远大于聚硫离子的尺寸，聚硫离子能够穿过隔膜由正极扩散到负极与金属锂反应，在锂金属表面生成绝缘的固态不溶物，造成活性物质的不可逆损失和负极表面的钝化。此外，商用的聚合物隔膜较差的电解液润湿度、耐热性能以及机械强度等都无法满足各领域对锂/钠二次电池越来越高的要求。

为了解决上述问题，越来越多的研究工作者将关注重点放在了研究新型隔膜上。目前，有很多材料被用于发展新型隔膜，包括碳基材料、无机氧化物材料以及有机聚合物材料等。尽管大部分新型隔膜的电解液浸润性和机械强度都有所改善，但是枝晶的不可控生长以及电解液中离子的随意扩散所引起的一系列问题还需进一步解决，锂/钠二次电池的实用化仍面临着巨大的挑战。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，有效控制电解液中离子的传输和抑制金属枝晶的生长，提高各种锂/钠二次电池的安全性和延长循环使用寿命，本发明通过引入金属-有机框架材料对电池隔膜的孔道结构和尺寸进行调控，提供了基于金属-有机框架材料的复合电池隔膜及其制备方法和应用。

技术方案：基于金属-有机框架材料的复合电池隔膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)合成金属-有机框架材料前驱体；

(2)将金属-有机框架材料前驱体与二维材料或聚合物材料复合，制得独立支撑的金属-有机框架材料复合电池隔膜或以商业隔膜为基底的金属-有机框架材料涂层复合隔膜。