MOFs基混合基质膜制备方法的研究及其在电池隔膜的应用
金属有机框架材料(Metal-OrganicFrameworks，缩写为MOFs)，该材料是一类由各种金属或者金属簇与有机配体共同构成的多孔材料，具有高比表面积、规整孔道及结构的可调性等优点，在气体贮存/分离、催化、传感和能源贮存等方面展现了极大的应用前景。然而，MOFs在使用时易碎裂成更小的颗粒或者粉末，这极大地限制了其工业化进程，一般来说，工业上使用MOFs粉体材料是通过高压造粒和添加胶黏剂法制备成块体材料，但是这些方法都会对MOFs自身的性质造成一定影响，为了解决这些问题，将MOF与聚合物复合制备得到MOF混合基质膜，膜材料由于自身的柔性和较高的机械强度受到了广泛关注。但是预先合成好的MOFs与聚合物复合的过程中存在着相容性差、分散性不好等问题。因此，进一步研究和开发MOFs基混合基质膜的制备方法，以解决MOFs与聚合物复合过程中存在的问题，同时实现原位大批量制备的目标，将对MOFs的产业化应用提供实验和理论基础，促进MOFs在生产实际中的应用。 因此，本文以金属有机框架基混合基质膜的制备方法研究和在锂硫电池隔膜的应用为出发点，设计并提出了两种快速制备MOFs基混合基质膜及复杂材料的方法，并深入研究了所制备的MOFs基混合基质膜应用于锂硫电池隔膜材料的性能。具体研究工作如下: 一、通过将MOFs前驱体与聚合物溶液混合刮涂结合微波辅助等加热手段，提出一种原位溶剂诱导制备MOFs基混合基质膜的方法。这种方法可以快速大批量制备MOFs基多孔混合基质膜，最短制备时间为5分钟，在实验室条件下可以实现累计～4米/次，～100米/天的制备效率。这一方法可以适用于制备不同MOFs(包括高价态的Zr-MOFs等)和聚合物的混合基质膜，得到的膜材料具有保留的MOFs孔道和优良的机械强度。制备方法研究过程中，利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段表征所制备的材料的结构、元素组成和形貌。 二、采用上述原位溶剂诱导法制备HKUST-1、UiO-66和NH2-UiO-66混合基质膜材料，并应用于锂硫电池隔膜。用FT-IR、XRD和SEM对制备的材料进行了表征。采用循环伏安法、电化学阻抗法和恒电流充放电法研究电池的电化学性能和循环倍率性能。其中，基于HKUST-1@PVDF-HFP@PP-20(HPP-20)的锂硫电池具有良好的充放电循环稳定性和倍率性能。在0.5C电流密度下，HPP-20基锂硫电池的初始放电容量为1163.7mAhg-1，具有良好的循环稳定性，在700次循环充放电之后平均比容量损失率为每圈0.08％，这表明，本研究所开发的溶剂诱导方法能够方便、大规模地生产出适用于储能的MOFs基隔膜材料，将促进MOFs的工业化进程。 三、提出一种光诱导热辅助加工法，可以将MOFs进行多维度加工制备成多样化形状和结构的MOF基高分子复合材料(包括纤维、中空管、双面中空管和双层/三层膜等)，利用FT-IR、XRD和SEM等分析测试手段对对所制备的材料进行表征，结果表明材料结合高分子聚合物和MOFs的优点，呈现良好的强度、柔韧性、相容性和自修复性能。 四、利用光诱导热辅助的方法，制备具有三层梯级孔道的高性能MOFs基Li-S隔膜材料。基于该方法得到的锂硫隔膜组装成的电池具有高的比容量(1365.0 mAhg-1)和循环性能(从第100个循环到第700个循环每循环衰减0.03％)，优于单层/双层隔膜和商用聚丙烯(PP)。进一步研究不同层状结构隔膜对锂硫电池性能的影响，探究具有梯级孔道的该种类MOFs隔膜具有高性能的原因，为基于MOFs的设备在储能中的应用提供新的思路。
金属有机框架;混合基质膜;复合材料;锂硫电池
哈尔滨理工大学
博士
材料物理与化学
马慧媛
2021
中文
TM912.9
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）