一种复合固态电解质材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种复合固态电解质材料及其制备方法和应用，属于固体电解质的制备和应用领域

【技术实现步骤摘要】
一种复合固态电解质材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于固体电解质的制备和应用领域，具体涉及一种复合固态电解质材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]随着社会经济发展，对能源需求的急剧增加，由化石燃料燃烧所引发的环境污染
、
资源枯竭等问题日趋严峻
。
发展高效的储能技术体系，开发利用风能
、
太阳能等清洁能源，能够在满足能源需求的同时，减少温室气体的排放
。
得益于其能量密度高
、
循环稳定等优势，锂离子电池已成为目前应用最广泛的商业电池
。
钠离子电池工作原理于锂离子电池类似，虽然能量密度偏低，但具有显著的成本优势，是低里程电动车
、
大规模储能应用场景下的战略备用体系
。
目前，实验研究及商业应用的二次电池的电解质主要为液态有机物
,
存在漏液
、
燃烧
、
爆炸等安全隐患
。
使用固态电解质替代传统电池中的隔膜和有机溶剂，能够显著提升电池安全性能，拓宽电池工作温度范围
。
此外，固态电解质机械性能优异，能够有效抑制锂枝晶生长，使金属负极的应用成为可能，进而大幅提升电池能量密度
。
[0003]固态电解质可分为无机固态电解质
、
聚合物电解质和复合固态电解质等
。
聚合物电解质具有机械性能优异，与电极材料界面相容性好等优势，但较低的室温离子电导率
(
＜
10
‑5S
·
cm
‑1)、
有限的电化学窗口
(
＜
3.8V)
及较低的离子迁移数严重限制了其在电池中的应用
。
无机固态电解质具有较高的离子迁移数和较高的离子导电率，表现出良好的电化学性能，但较差的机械性能导致其易与电极材料形成刚性接触，导致界面阻抗增加，阻碍界面离子传输动力学，进而导致电池容量
、
倍率性能劣化
。
常见的改性策略是在其中加入各类填料，构筑复合固态电解质，提升机械性能和离子电导率
。
[0004]金属有机框架材料
(MOF)
具有多孔特性以及较高的比表面积，一方面，其合适的孔径尺寸
(
大于锂
/
钠离子半径，小于阴离子半径
)
显著提高了复合电解质的离子迁移数，克服限制基于复合固态电解质的固态电池倍率性能的瓶颈；一方面，利用粉末填料降低了聚合物结晶度，提高聚合物链段运动能力，进而显著提升复合电解质的离子电导率；另一方面，
MOF
材料良好的抗氧化性扩大了复合电解质的电化学窗口
。MOF
材料与含盐聚合物以一定比例混合，可制备柔性较强的复合固态电解质，然而，未经改性的
MOF
材料填充的复合电解质室温电导率仍不理想
(
＜
10
‑4S
·
cm
‑1)
因此，急需研究一种能够改善电解质
‑
电极材料界面接触，降低界面电阻和具有优异的导电性能的复合固态电解质材料
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种能够改善电解质
‑
电极材料界面接触，降低界面电阻和具有优异的导电性能的复合固态电解质材料
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种复合固态电解质材料，包括以下组分：聚合物基体
、
溶质盐
、
填料
A
；
[0008]所述溶质盐为锂盐或钠盐；
[0009]所述填料
A
为改性金属
‑
有机框架材料；
[0010]所述改性金属
‑
有机框架材料是由改性分子与金属
‑
有机框架材料的金属离子中心进行配位，和
/
或所述改性金属
‑
有机框架材料是由改性分子与金属
‑
有机框架材料的有机配体进行配体交换
。
[0011]本专利技术的专利技术人研究发现，本专利技术使用改性分子对金属
‑
有机框架材料的金属离子中心进行配位改性，将特定的改性分子与金属
‑
有机框架材料中金属离子中心的氧或金属离子进行配位，或者与中心离子多面体上的小分子进行配体交换，通过对金属
‑
有机框架材料的金属离子中心多面体进行活化处理，从而为阳离子在改性金属
‑
有机框架材料的孔道中提供传导位点，能够显著提高复合固态电解质的离子电导率
。
同时，本专利技术所述聚合物基体和改性金属
‑
有机框架材料进行复配，使改性金属
‑
有机框架材料分散至聚合物柔性基体中，能够避免传统的固态电解质与电解材料的刚性接触导致较大的界面阻抗，且复合固态电解质材料的机械性能优异，有显著的加工优势，原料廉价易得，有利于工业化应用
。
[0012]另外，所述改性分子为链状化合物或环状化合物，本专利技术所述改性分子的最大长度为改性分子的分子链或环状分子中最长的长度值，具体为：所述改性分子为链状化合物时，所述改性分子的最大长度为链状分子中最长链的长度；所述改性分子为环状分子时，所述改性分子的最大长度为环状分子各个方向上长度的最大值
。
[0013]作为本专利技术所述复合固态电解质材料的优选实施方式，所述改性分子的最大长度＜金属
‑
有机框架材料的孔径的
1/2。
[0014]本专利技术的专利技术人研究发现，只有当改性分子的最大长度＜金属
‑
有机框架材料的孔径的
1/2
时，才能制备得到改性金属
‑
有机框架材料，从而促进复合固态电解质的阳离子传输；而改性分子的长度较大时，改性分子进入金属
‑
有机框架材料内部的空间位阻较大，不能制备得到改性金属
‑
有机框架材料
。
[0015]作为本专利技术所述复合固态电解质材料的优选实施方式，所述聚合物基体和溶质盐的质量之和与改性金属
‑
有机框架材料的质量比为
(
聚合物基体
+
溶质盐
)
：改性金属
‑
有机框架材料＝
(1
～
49)
：
(1
～
49)
；所述聚合物基体中的最小重复单元与溶质盐的摩尔比为
(4
～
20):1。
[0016]本专利技术的专利技术人研究发现，本专利技术所述复合固态电解质材料的各组分之间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种复合固态电解质材料，其特征在于，包括以下组分：聚合物基体
、
溶质盐
、
填料
A
；所述溶质盐为锂盐或钠盐；所述填料
A
为改性金属
‑
有机框架材料；所述改性金属
‑
有机框架材料是由改性分子与金属
‑
有机框架材料的金属离子中心进行配位，和
/
或所述改性金属
‑
有机框架材料是由改性分子与金属
‑
有机框架材料的有机配体进行配体交换
。2.
如权利要求1所述的复合固态电解质材料，其特征在于，所述聚合物基体和溶质盐的质量之和与改性金属
‑
有机框架材料的质量比为
(1
～
49)
：
(1
～
49)
；所述聚合物基体中的最小重复单元与溶质盐的摩尔比为
(4
～
20):1。3.
如权利要求1所述的复合固态电解质材料，其特征在于，所述改性分子的最大长度＜金属
‑
有机框架材料的孔径的
1/2。4.
如权利要求1所述的复合固态电解质材料，其特征在于，所述改性金属
‑
有机框架材料的制备方法包括以下步骤：将改性分子与金属
‑
有机框架材料的金属离子中心进行原位配合或非原位配合；所述非原位配合的方法包括以下步骤：将金属
‑
有机框架材料
、
改性分子和溶剂混合均匀，在
‑
20
～
300℃
的温度下反应
10min
～
168h
，使改性分子与金属
‑
有机框架材料的金属离子中心进行非原位配位，得到所述改性金属
‑
有机框架材料
。5.
如权利要求1所述的复合固态电解质材料，其特征在于，如下
(a)
～
(b)
中的至少一项：
(a)
所述改性金属
‑
有机框架材料中的金属元素自
Zn、Zr、Hf、Ca、Ba、Cu、Al、In、Mo、Fe、Mn、Co、Ni、La
中的至少一种；
(b)
所述改性金属
‑
有机框架材料中，所述改性分子包含链状基团
、
环状基团中的至少一种；所述链状基团选自醚基
、
醛基
、
羰基
、
羟基
、
羧基
、
酯基
、
氨基
、
亚氨基
、
酰胺基
、
氰基
、
硝基
、
磺基
、
巯基
、
硼酸根
、
卤素中的至少一种；所述环状基团选自脂环基
、
芳基
、
呋喃基
、
噻吩基
、

【专利技术属性】
技术研发人员：章志珍，邹琪瑶，周靖翔，吴发权，司锐，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：