一种无游离溶剂分子的电解质体系及其制作方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种无游离溶剂分子的电解质体系，它包括金属盐电解液及金属有机骨架化合物；所述金属有机骨架化合物内具有埃级的固体离子阱结构。本发明专利技术的目的在于提供一种无游离溶剂分子的电解质体系及其制作方法和应用，避免电解质体系因存在游离的溶剂分子而造成电池安全风险和电化学性能差的问题。池安全风险和电化学性能差的问题。池安全风险和电化学性能差的问题。

An electrolyte system without free solvent molecules and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种无游离溶剂分子的电解质体系及其制作方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种无游离溶剂分子的电解质体系及其制作方法和应用。

技术介绍

[0002]大力发展用于消费电子、电动汽车和电网储能的电源是经济社会发展的必然选择。虽然锂离子电池(LIBs)是当今社会储能最多的装置之一，但有限的锂资源限制了其在大规模生产的电动汽车和插电式混合动力汽车中的进一步应用。在下一代电池中，钾离子电池(PIBs)因其低成本而备受关注和探索，钾资源丰富，能量密度高，因此被认为是LIBs的合适替代品。然而，目前的PIBs通常都是基于液体电解液(醚和碳酸酯溶剂)，其中含有游离有机溶剂分子。电解液中的游离有机溶剂分子易燃、易挥发、易氧化，在过热和火灾等方面都存在严重的安全问题。此外，电极方面，尤其是钾负极，也需要有一种能够在长期充电/放电循环过程中对抗不可逆反应和枝晶生长的电解液。
[0003]众所周知，在传统的液体(如有机溶剂和水)电解液体系中，游离的液体溶剂分子提供了传输介质，从而使得电解质具有高的离子电导率。然而，液体电解液中的游离溶剂分子却是存在安全风险和电化学性能差的根本原因，例如其容易溶解活性材料。因此，开发无游离溶剂分子的电解液是实现高安全和高性能金属离子电池的有效途径。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种无游离溶剂分子的电解质体系及其制作方法和应用，避免电解质体系因存在游离的溶剂分子而造成电池安全风险和电化学性能差的问题。
[0005]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：r/>[0006]一种无游离溶剂分子的电解质体系，它包括金属盐电解液及金属有机骨架化合物；所述金属有机骨架化合物内具有埃级的固体离子阱结构。
[0007]一种无游离溶剂分子电解质体系的制备方法，它包括如下步骤，
[0008]步骤A，制备具有固体离子阱结构的金属有机骨架化合物薄膜；
[0009]步骤B，制备金属盐液体电解液；
[0010]步骤C，金属有机骨架化合物薄膜浸入金属盐液体电解液；
[0011]步骤D，干燥去除残留的溶剂。
[0012]一种所述无游离溶剂分子电解质体系的应用，所述无游离溶剂分子电解质体系作为金属离子电池的电解液的应用。
[0013]较之现有技术而言，本专利技术的优点在于：
[0014](1)无游离溶剂分子的电解质体系具有低成本、高离子电导率、抑制枝晶生长、抑制“穿梭效应”和电极溶解的能力、高氧化稳定性[基于无游离有机溶剂分子的电解质(NOSMS)超过5.9V]、高还原稳定性[基于无游离水分子的电解质(NWMS)低于
‑
1V，可以使用石墨电极]及广泛的适用性。
[0015](2)基于该无游离溶剂分子的电解质体系的金属离子电池具有优异的电化学性能
和安全性。具体表现为：基于NOSMS电解质的石墨(负极)||PTCDI(正极)的钾离子电池在50mA g
‑1下循环1000次后，每次循环的平均容量衰减率仅为0.036％，同时表现出243.9Wh kg
‑1的能量密度。
[0016](3)本专利技术提供的无游离溶剂分子的电解质体系(NOSMS/NWMS)本质上不易燃，具有良好的热稳定性和可切割性，用该体系制成的金属离子电池具有高安全性。
附图说明
[0017]图1是本专利技术一种无游离溶剂分子的电解质体系的结构简图。
[0018]图2是基于实施例1NOSMS和对比例1传统KFSI电解液体系的K||K电池在0.1mA cm
‑2电流密度下的恒电流循环和相应的电压滞后曲线图。
[0019]图3是基于实施例2NWMS的K||K电池在0.1mA cm
‑2电流密度下的恒电流循环和相应的电压滞后曲线图。
[0020]图4是基于实施例1NOSMS和对比例1传统KFSI电解液体系的K||Cu电池的库伦效率和充放电曲线图。
[0021]图5是基于实施例2NWMS的石墨||K电池以100mA g
‑1的电流密度下的充放电曲线。
[0022]图6是基于实施例2NWMS的石墨||K电池以100mA g
‑1的电流密度下的循环性能曲线图。
[0023]图7是基于实施例1NOSMS和对比例1传统KFSI电解液体系的石墨||K电池以100mA g
‑1的电流密度下的循环性能曲线图。
[0024]图8是基于实施例1NOSMS、实施例2NWMS、实例例3NWMS
‑
1分别和对比例1KFSI电解液、对比例2KCl电解液、对比例3KFSI电解液在扫描速率为0.005V/s扫描的伏安曲线。
[0025]图9是基于对比例1传统KFSI电解液体系的KVPF(正极)||K半电池的恒电流电荷分布图。
[0026]图10是基于实施例1NOSMS的KVPF(正极)||K半电池在50mA g
‑1电流密度和2
‑
4.6V截止电压下的充放电曲线。
[0027]图11是基于实施例1NOSMS的KVPF(正极)||K半电池在50mA g
‑1电流密度和2
‑
4.6V截止电压下的的长期循环性能曲线。
[0028]图12是基于本专利技术无游离溶剂分子的电解质体系和传统电解液体系的电池抑制PTCDI正极溶解的示意图。
[0029]图13是基于实施例1NOSMS和对比例1传统KFSI电解液体系的PTCDI(正极)||K半电池的充放电曲线。
[0030]图14是基于实施例2NWMS的PTCDI(正极)||K半电池的充放电曲线。
[0031]图15是基于实施例1NOSMS的PTCDI(正极)||K半电池在50mA g
‑1的电流密度下的长期循环性能曲线图。
[0032]图16是基于实施例2NWMS的PTCDI(正极)||K半电池在50mA g
‑1的电流密度下的长期循环性能曲线图。
[0033]图17
‑
图19是基于本专利技术一种无游离溶剂分子的电解质体系的电池“穿梭效应”抑制示意图；图17为抑制KI正极“穿梭效应”示意图；图18为基于实施例1NOSMS和对比例1传统KFSI电解液体系的K||KI电池的第3次充放电曲线；图19为K||KI电池的的循环性能曲线图。
[0034]图20
‑
图22是基于实施例1NOSMS的PTCDI(正极)|NOSMS|石墨(负极)的钾离子全电池的性能图；图20为典型恒电流充放电曲线；图21为全电池的充放电曲线；图22为基于实施例1NOSMS和对比例1传统KFSI电解液体系全电池充满电后电压随时间的变化曲线。
[0035]图23是基于实施例1NOSMS的PTCDI(正极)|NOSMS|石墨(负极)的钾离子全电池在50mA g
‑1的电流密度下的循环性能曲线图。
具体实施方式
[0036]一种无游离溶剂分子的电解质体系，它包括金属盐电解液及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无游离溶剂分子的电解质体系，其特征在于：它包括金属盐电解液及金属有机骨架化合物；所述金属有机骨架化合物内具有埃级的固体离子阱结构。2.根据权利要求1所述的无游离溶剂分子的电解质体系，其特征在于：所述金属盐电解液为碱金属盐电解液、铝基盐电解液、锌基盐电解液、镁基盐电解液、钙基盐电解液或铁基盐电解液。3.根据权利要求2所述的无游离溶剂分子的电解质体系，其特征在于：所述金属盐电解液包括金属盐电解质和溶剂；所述金属电解质为碱金属盐电解质、铝基盐电解质、锌基盐电解质、镁基盐电解质、钙基盐电解质、铁基盐电解质中的一种；所述溶剂为有机溶剂或水溶剂。4.根据权利要求3所述的无游离溶剂分子的电解质体系，其特征在于：所述碱金属盐电解质为锂盐电解质、钠盐电解质或钾盐电解质；所述钾盐电解质为双氟磺酰亚胺钾盐、氯化钾或六氟磷酸钾。5.根据权利要求1
‑
4任意一项所述的无游离溶剂分子的电解质体系，其特征在于：所述金属有机骨架化合物为沸石咪唑酯骨架、2
‑
甲基咪唑锌盐MAF
‑
4、Cu
‑
MOF
‑
74、Cu
‑
BTC、Zr基
‑
UiO
‑
67或聚[Zn2(BIM)4]。6.一种权利要求1
‑
5任意一项所述无游离溶剂分子电解质体系的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤，步骤A，制备具有固体离子阱结构的金属有机骨架化合物薄膜；步骤B，制备金属盐液体电解液；步骤C，金属有机骨架化合物薄膜浸入金属盐液体电解液；步骤D，干燥去除残留的溶剂。7.根据权利要求6所述的无游离溶剂分子电解质体系的制备方法，其特征在于：所述步骤A的具体方法为，步骤a1，金属有机骨架化合物和粘结剂进行充分搅拌混合，制得金属有机骨架化合物浆料；步骤a2，金属有机骨架化合物浆料涂布在基材上，之后进行干燥；步骤a3，涂布金属有机骨架化合物的基材浸入有机溶剂中浸泡，令金属有机骨架化合物从基材上剥落，以制得柔性金属有机骨架化合物薄膜；步骤a4，柔性金属有机骨架化合物薄膜冲压成所需的形状，之后进行活化。8.根据权利要求7所述的无游离溶剂分子电解质体系的制备方法，其特征在于：所述金属有机骨架化合物和粘结剂重量比为1：(0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：易先辉，鲁兵安，许志，
申请(专利权)人：福建新峰二维材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：