[发明专利]用于高性能电池的具有电极添加剂的电极及其应用

说明书

本发明提供了一种通用类型的多孔配位固体，即金属‑有机框架材料(MOF)，作为电极添加剂，以提高电池的热稳定性、倍率和循环性能；和一种具有该电极添加剂的电极。在电极中加入MOF添加剂与当前的电池制造工艺完全兼容。活化的MOF添加剂可作为电解质调节剂，以通过使液体电解质与不饱和开放金属位点相互作用来增强阳离子传输并降低界面电阻。此外，固体构造的不流动液体是通过将液体电解质封装在MOF的多孔支架中实现的，从而提供优异的热稳定性。

相关专利申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2019年2月11日提交的美国临时专利申请序列号62/803,725的优先权和权益。

本申请也是于2018年2月5日提交的美国专利申请第15/888,223号的部分继续申请，该申请要求美国临时专利申请序列号62/455,752和62/455,800的优先权和权益，两者均于2017年2月7日提交。

本申请也是于2018年2月5日提交的美国专利申请序列号15/888,232的部分继续申请，该申请要求美国临时专利申请序列号62/455,752和62/455,800的优先权和权益，两者均于2017年2月7日提交。

本申请也是于2019年3月29日提交的美国专利申请序列号16/369,031的部分继续申请，该申请要求美国临时专利申请序列号62/650,580和62/650,623的优先权和权益，两者均于2018年3月30日提交。

上述申请中的每一个申请均通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明总体涉及电池，更具体地涉及用于高性能电池的具有由金属-有机框架材料形成的电极添加剂的电极及其应用。

背景技术

本文提供的背景描述是为了概括性地呈现本发明的上下文。在发明的背景部分中讨论的主题不应仅仅因为其在发明的背景部分中被提及而被假定为现有技术。类似地，在本发明的背景部分中提到的问题或与本发明的背景部分的主题相关的问题不应被假定为之前已在现有技术中被公认。本发明的背景部分中的主题仅代表不同的方法，其本身也可以是发明。当前指定的发明人的著作，就其在本发明的背景部分中描述的范围以及在提交申请时可能与现有技术不符的描述方面而言，既不明确也不暗示性地被认定为与本发明相反的现有技术。

便携式电子产品的普及和电动汽车的商业化刺激了电池市场的广泛研究和大幅增长。虽然目前现有技术的锂离子电池的能量密度能够达到约250Whkg^-1，但其对应于约300英里的行驶里程。充电时间长、成本高昂以及液体电解质固有的易燃性带来的安全问题则大大阻碍了电动汽车和绿色能源技术的广泛采用。因此，研究人员从几个科学方面来探讨这些问题。例如，纳米尺寸的电极材料能够减少扩散长度，因此增强固体电极内的扩散动力学。尽管倍率性能有明显改善，但这种策略会损害电极材料的振实密度，并且导致规模化生产相对困难。此外，液体电解质的安全问题能够通过使用基于陶瓷或聚合物的固体电解质得到缓解，而由于离子电导率不足和界面电阻带来挑战性，无法实现商业应用。到目前为止，很少有人提出针对工业应用的方法来同时解决当前电池技术中存在的那些关键局限性。因此，在材料或结构上通用且易于应用的设计对于促进下一代电池的发展和可再生能源的广泛利用具有重要意义。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种通用类型的多孔配位固体，即金属-有机框架材料(MOF)，作为电极添加剂，以提高电池的热稳定性、倍率和循环性能。在电极中加入MOF添加剂与当前的电池制造工艺完全兼容。活化的MOF粉末可作为电解质调节剂，以通过使液体电解质与不饱和的开放金属位点(OMS)相互作用来增强阳离子传输并降低界面电阻。此外，固体构造的非流动液体是通过将液体电解质封装在MOF的多孔支架中实现的，从而提供优异的热稳定性。