MOF基锂离子传输材料的制备及性能研究
锂离子电池作为一类有前途的高效二次电池，已在能源和电气技术等许多的领域得到了广泛应用，激发了对兼具高安全性和高性能电池的深入研究。全固态锂离子电池由于能提供比传统液态锂离子电池更高的能量密度以及更高的安全性，目前已经成为一个新兴的研究课题。固态电解质(Solid-stateelectrolytes,SSEs)是全固态锂离子电池中的关键材料，这使得设计具有高化学和机械稳定性以及高锂离子电导率的固态电解质材料成为重要的研究目标。金属有机骨架材料(Metal-organicframeworks,MOFs)作为一种多孔无机-有机晶体材料，在制备高性能固态电解质方面显示出了潜力。本论文从MOFs材料出发，设计合成了一系列MOF基锂离子电池固态电解质。主要研究内容如下： (1)构筑配位不饱和的Ni-MOF，配位不饱和的MOFs具有开放金属位点(Openmetalsites,OMSs)，OMSs可以起到固定阴离子，并促进阳离子的迁移的作用，以此提升MOF材料的锂离子传导性能。利用高温诱导使所合成的Ni-MOF形成开放金属位点，通过电化学性能测试可知，处理前的Ni-MOF的离子电导率为2.50×10?6S/cm，锂离子迁移数为0.36；而高温处理后的Ni-MOF离子电导率提升至6.61×10?4S/cm，锂离子迁移数为0.88，这说明了OMSs对MOF材料锂离子传导性能的积极作用。 (2)设计合成中空结构的MOF，中空结构由于其特殊的空腔结构，可以储存更多的锂离子，其腔壁晶格孔道可起到传输锂离子的作用，以此提升MOF材料的锂离子传导性能。利用外延生长法合成了中空ZIF-67@ZIF-8，通过电化学性能测试可知，所制中空ZIF-67@ZIF-8的离子电导率为1.35×10?3S/cm，锂离子迁移数为0.82。而纯ZIF-8和ZIF-67的离子电导率分别为2.91×10?4S/cm和3.82×10?4S/cm，由此可见中空结构对锂离子传导能力具有很大的提升作用。 (3)设计合成多级孔结构的MOF，多级孔结构具有丰富的孔结构，可以保证分子活性位点的可及性和扩散率，增强传质能力，以此提升MOF材料的锂离子传导性能。采取刻蚀法合成了多级孔Ni-BTC，通过电化学性能测试可知，比起非多级孔的球状结构，多级孔结构的Ni-BTC的离子电导率和锂离子迁移数分别从4.62×10?4S/cm和0.48提升到了7.86×10?4S/cm和0.89。MOFs和无机填料的复合材料可以同时结合二者的优点，一方面，无机填料可以提升材料的电化学性能及电化学稳定性，促进锂盐的解离，增加游离载体的数量，另一方面，由于纳米填料具有良好的分散性和优异的热相容性，加入无机填料也可以提高MOF材料的机械稳定性和热稳定性。在多级孔Ni-BTC中添加无机填料ZSM-5后，其离子电导率为1.51×10?3S/cm，锂离子迁移数为0.80，电化学窗口从4.2-5.9V提升到了2.5-6.0V。
锂离子电池;MOFs材料;固态电解质;纳米填料;离子电导率
内蒙古大学
硕士
材料物理与化学
刘志亮
2021
中文
TM912.9
2021-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）