[发明专利]基于中空结构MOF的复合固态电解质膜及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种基于中空结构MOF的复合固态电解质膜及其制备方法与应用。本发明采用模板法制备了具有中空结构的MOF，并将制得的中空结构的MOF加入含锂离子液体中，使中空结构的MOF充分吸附含锂离子液体后作为填料加入聚合物溶液中，充分分散后制备了复合固态电解质膜。通过上述方式，本发明能够利用MOF的中空结构吸附大量的含锂离子液体，解决了离子液体难以固定在聚合物基质内的难题，从而大幅提高制得的电解质的锂离子电导率。并且，该复合固态电解质膜可应用于锂空气电池，使具有中空结构的MOF在电解质和锂负极之间起到物理保护隔离层的作用，以减轻电解质分解，并抑制锂枝晶，具有更高的稳定性和安全性。

技术领域

本发明涉及固态电解质技术领域，尤其涉及一种基于中空结构MOF的复合固态电解质膜及其制备方法与应用。

背景技术

随着环境和能源问题的日益突出，发展清洁、可再生的电化学储能技术受到了人们的广泛关注。在电化学储能材料中，金属空气电池由具有反应活性的金属负极材料和空气电极分别经系列电化学反应组合而成，兼具原电池和燃料电池的特点，有很高的质量比能量和体积比能量，被认为是未来很有发展和应用前景的新能源。在这类电池中，锂空气电池可以展现出优越的理论能量密度和较高的比容量，是未来最具潜力的电化学电池之一，但其性能还需要进一步提升与优化。

当前，对锂空气电池的研究大多数是基于传统的有机电解液。尽管有机电解液在离子电导率和锂离子迁移数上具有一定优势，但其存在稳定性和安全性问题，主要表现在易发生复杂的副反应、挥发性高、锂负极易腐蚀等方面。同时，锂负极在充电时会形成锂枝晶，而锂枝晶会刺穿隔膜造成电池短路，引发电池燃烧甚至爆炸的风险。

为了解决有机电解液存在的稳定性和安全性问题，目前最有效的途径是研发出在空气中稳定存在的固态电解质来替代有机电解液。当前，固态电解质根据其采用的原料不同可分为无机和有机聚合物两类。然而，单一的无机固态电解质虽然离子电导率较高，但其存在脆性大、与电极的界面稳定性差等问题；单一的有机聚合物固态电解质虽然具有良好的柔韧性以及易于加工、成本低等优点，但常温下其离子电导率过低，无法满足固态电池在室温下对电解质离子电导率的需求。因此，在聚合物基质中引入无机材料形成的复合固态电解质受到了研究者的关注。

公开号为CN111180791A的专利提供了一种基于金属有机框架/离子液体复合固态电解质的制备方法。该专利通过制备金属有机框架材料，并将含锂离子液体灌注到金属有机框架材料的孔道内，制备了复合填料；并将该复合填料与聚合物基体、锂盐在有机溶剂中搅拌均匀，浇筑在模板上刮涂成膜，制得复合固态电解质。该专利中，金属有机框架材料的加入能够在一定程度上提高制得的固态电解质的离子电导率，并改善其对锂枝晶的抑制能力。然而，由于金属有机框架材料自身含有的孔道结构有限，其实际能够吸附的离子液体很少，对离子电导率的提高不够明显，也难以对锂负极形成有效保护，其整体性能仍有待提高。

有鉴于此，有必要设计一种改进的复合固态电解质材料及其制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于中空结构MOF的复合固态电解质膜及其制备方法与应用。通过模板法制备具有中空结构的MOF，并将制得的中空结构的MOF加入含锂离子液体中，利用MOF的中空结构吸附大量含锂离子液体，从而大幅提高制得的电解质的锂离子电导率，并对锂负极形成有效保护。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于中空结构MOF的复合固态电解质膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备具有中空结构的金属有机框架材料H-UIO-66(Zr)；

S2、将锂盐溶于离子液体中，制备含锂离子液体；

S3、将步骤S1得到的所述H-UIO-66(Zr)加入步骤S2得到的所述含锂离子液体中，充分搅拌后得到填料；