锂金属电池的基于金属-有机骨架的复合电解质制造技术

在一个实施例中，金属

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池的基于金属
‑
有机骨架的复合电解质


[0001]本专利技术涉及复合电解质，具体地，涉及锂金属电池的基于金属
‑
有机骨架(MOF)的复合电解质。

技术介绍

[0002]由于能量需求增加，能源储存越来越受到全球的关注。电化学储能技术正在不断发展，以满足不断增长的需求。正在开发的许多选项中有二次或可充电的锂基电池，因为它们是高性能电池，与其他市售二次电池相比，已知具有最高的能量密度之一。除了锂电池的高能量密度之外，与其他种类的可充电电池相比，它们还可以表现出高功率能力、通常不出现记忆效应、相对低的内阻以及不使用时的低自放电率。锂电池能够在其使用寿命内进行反复的功率循环使得它们成为一种有吸引力且可靠的电源。例如，锂基电池通常用于固定和便携式设备，如消费电子、机动车/汽车、医疗设备、机械、机器人和航空航天工业中遇到的设备。在汽车行业，锂基电池可用于电动汽车，如混合动力汽车(HEV)、电池电动汽车(BEV)、插电式HEV和增程电动汽车(EREV)。
[0003]锂电池材料需要不断改进，例如，通过循环增加电池容量。

技术实现思路

[0004]在一个示例性实施例中，金属
‑
有机骨架电解质层可包括多个具有多孔结构并包括吸收在多孔结构中的溶剂化盐的金属
‑
有机骨架；以及聚合物。MOF电解质层可以具有小于或等于0.3克/立方厘米(g/cm3)的密度或为500到4,000平方米/克(m2/g)的布鲁纳
‑
埃米特
>‑
泰勒(Brunauer
‑
Emmett
‑
Teller(BET))表面积中的至少一个。
[0005]除了本文所述的一个或多个特征之外，多个金属
‑
有机骨架可具有MOF的平均孔径可以为1至5纳米、孔体积大于0至6立方厘米/克(cm3/g)或为2,000至4,000m2/g的BET表面积中的至少一个。
[0006]除了本文所述的一个或多个特征之外，多个金属
‑
有机骨架可包括铝基MOF、铜基MOF、铟基MOF、铁基MOF、锰基MOF、锆基MOF或锌基MOF中的至少一种。
[0007]除了本文所述的一个或多个特征之外，溶剂化盐可包括ClO4‑
、BF4‑
、PF6‑
、TFSI
‑
或FSI
‑
中的至少一种的锂盐：
[0008]除了本文所述的一个或多个特征之外，聚合物还可包括含氟聚合物、聚烯烃、丙烯酸酯或聚丙烯腈中的至少一种。
[0009]除了本文描述的一个或多个特征之外，基于MOF电解质层的总重量，MOF电解质层可包括基于50至75重量百分比(wt％)的金属
‑
有机骨架。
[0010]除了本文描述的一个或多个特征之外，基于MOF电解质层的总重量，MOF电解质层可以包括基于25至50重量％的聚合物。
[0011]除了本文描述的一个或多个特征之外，MOF电解质层可以具有5至50微米的厚度。
[0012]在又一示例性实施例中，锂金属电池可包括MOF电解质层，该MOF电解质层包括聚
合物和多个具有多孔结构并且包括吸收在多孔结构中的溶剂化盐的金属
‑
有机骨架。MOF电解质层可具有小于或等于0.3g/cm3的密度或为500至4,000m2/g的Brunauer
‑
Emmett
‑
Teller(BET)表面积中的至少一个。负电极可以位于MOF电解质层的第一侧上。正电极可以位于MOF电解质层的与负电极相反的第二侧上。正电极和负电极可经由闭合的外部电路连接。分隔层可以位于正电极和MOF电解质层之间。外部封装层可以在负电极、MOF电解质层、分隔层和正电极周围形成外壳。
[0013]除了本文所述的一个或多个特征之外，负电极可包括锂金属，而正电极可包括LiCoO2、LiNiMnCoO2、磷酸锂铁、氟磷酸锂铁、过锂化逐层电极、尖晶石锂锰氧化物、锂钴氧化物、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、锂镍钴铝氧化物、锂钒氧化物或Li2MSiO4中的至少一种，其中M为Co、Fe或Mn中的至少一种。
[0014]在又一示例性实施例中，一种制备MOF电解质层的方法可包括形成混合物，该混合物包括多个包括吸收的溶剂化盐的金属
‑
有机骨架，以及聚合物；并由该混合物形成MOF电解质层。MOF电解质层可包括聚合物和具有多孔结构和吸收在多孔结构中的溶剂化盐的多个金属
‑
有机骨架。MOF电解质层可以具有小于或等于0.3g/cm3的密度或为500至4,000m2/g的BET表面积中的至少一种。
[0015]除了本文所述的一个或多个特征之外，混合物还可以包括浆液溶剂，并且形成MOF电解质层可以包括溶液凝聚(cast)和干燥。
[0016]除了本文描述的一个或多个特征之外，混合可以包括在大于聚合物的玻璃化转变温度的温度下混合，并且形成MOF电解质层可以包括模制。
[0017]除了本文描述的一个或多个特征之外，形成多个金属
‑
有机骨架可包括将多个金属
‑
有机骨架浸入非水溶剂和包括溶剂化盐的液体电解质中一足以将溶剂化的盐吸收到金属
‑
有机骨架的多孔结构中的时间量。
[0018]当结合附图和权利要求书时，根据以下详细描述，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。
附图说明
[0019]在下面的详细描述中，仅通过示例的方式出现其他特征、优点和细节，该详细描述参考附图，在附图中：
[0020]图1是MOF电解质层的图示；
[0021]图2是包括MOF电解质层的锂金属电池的图示；和
[0022]图3是示例的循环结果的图形说明。
具体实施方式
[0023]以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、其应用或用途。
[0024]锂电池包括电解质层，以促进离子从一个电极转移到另一个电极。该层通常确定电池的电流(功率)密度、时间稳定性和整体安全性。聚合物电解质层通常分为三类之一，包括固体聚合物电解质层、聚合物凝胶电解质或包括导电固体的复合电解质。然而，这些电解质层中的每一个都有其自身的缺点。例如，固体聚合物电解质层和复合电解质经常遭受离子电导率极限，并且聚合物凝胶电解质通常具有较差的机械性能。
[0025]新的基于聚合物的电解质层相对于典型的基于聚合物的电解质层提供了一个或多个改进。具体地，基于聚合物的电解质层包括金属
‑
有机骨架(MOF)，其具有多孔结构，在该多孔结构中吸收了溶剂化盐；以及聚合物。该层在本文中称为MOF电解质层。溶剂化盐的阴离子与MOF骨架的各个金属原子相互作用。例如，阴离子可与MOF骨架的金属原子发生静电相互作用或形成离子键。结合的阴离子可将MOF的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属
‑
有机骨架电解质层，包括：多个金属
‑
有机骨架，具有多孔结构并包括吸收在该多孔结构中的溶剂化盐；和聚合物；其中，金属
‑
有机骨架电解质层具有小于或等于0.3g/cm3的密度或为500到4000m2/g的Brunauer
‑
Emmett
‑
Teller(BET)表面积中的至少一个。2.根据权利要求1所述的金属
‑
有机骨架电解质层，其中，多个金属
‑
有机骨架中的至少一个具有铝基金属
‑
有机骨架、铜基金属
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有机骨架、铟基金属
‑
有机骨架、铁基金属
‑
有机骨架、锰基金属
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有机骨架或锌基金属
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有机骨架中的至少一种；或多个金属
‑
有机骨架具有金属
‑
有机骨架的平均孔径能够为1至5纳米、孔体积大于0至6cm3/g或为2000至4000m2/g的BET表面积中的至少一个。3.根据权利要求1所述的金属
‑
有机骨架电解质层，其中，所述溶剂化盐中的至少一种包括CLO4‑
、BF4‑
、PF6‑
、TFSI
‑
或FSI
‑
中的至少一种的锂盐；或所述聚合物包括含氟聚合物、聚烯烃、丙烯酸酯或聚丙烯腈中的至少一种。4.根据权利要求1所述的金属
‑
有机骨架电解质层，其中，基于金属
‑
有机骨架电解质层的总重量，金属
‑
有机骨架电解质层包括基于50至75重量百分比的金属
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有机骨架；以及其中基于所述金属
‑
有机骨架电解质层的总重量，所述金属
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有机骨架电解质层包括基于25至50重量％的聚合物。5.一种锂金属电池，包括：金属
‑
有机骨架电解质层，该金属
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有机骨架电解质层包括聚合物和具有多孔结构并且包括吸收在该多孔结构中的溶剂化盐的多个金属
‑
有机骨架；...

【专利技术属性】
技术研发人员：F戴，AM戴利，M蔡，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：