基于金属有机骨架的钠离子固态电解质制备及其性能研究

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目前,商业化钠离子电池大多数采用液态电解液,其中的有机溶剂可以提供一个适宜的环境便于钠离子的运输,但由于有机液体溶液的可燃性,会导致钠离子电池存在安全隐患。相比于有机液体电解质,固态电解质通常在热稳定性、安全性和电化学耐久性方面具有多重优势,展现出极大的应用前景。但无论是陶瓷固态电解质还是聚合物电解质都面临着严重的界面问题,因此,针对如今钠离子固态电解质的低离子电导率、高界面阻抗以及繁琐的制备工艺,本文设计了一种金属有机骨架(MOF)和商业电解液复合的体系,能快速地在整个固态相体系中传输钠离子,主要的研究内容如下:(1)通过简易的水热法制备了十面体形貌的MIL-125结构(DLM)。该材料尺寸均一(2~3μm),比表面积大(1049.9 m~2 g-1),孔径小(<2 nm)。和电解液复合后(DLM@LE)经测试发现,DLM@LE拥有高的室温离子电导率(2.56×10-4 S cm-1),较宽的电化学窗口(0~4.8 V)。此外,DLM@LE展现了一定的钠金属稳定性,可以抑制部分钠枝晶的生长造成的短路现象,同时组装的全电池展现出一定的循环性能。(2)在DLM合成基础上改变条件制备出类饼状形貌的MIL-125(PLM),通过SEM、XRD、FTIR、Raman等测试比较了DLM和PLM之间的相同点和不同点。结果表明,PLM比DLM具备更高的比表面积和更好的力学性能。同时较高的保液性能使得PLM@LE比DLM@LE拥有较高的室温离子电导率6.6×10-4S cm-1。之后,讨论了PLM@LE和DLM@LE离子迁移数的提升可能与MOF本身的孔道结构和特殊官能团等基本特征有关。同时,相比于DLM@LE,PLM@LE展现了更好的钠金属稳定性,此结果来自于PLM@LE内部颗粒之间的良好接触和PLM@LE更好的力学稳定性,可以抑制部分钠枝晶的生长造成的极化增加的现象。最后,将PLM@LE应用于Na0.44Mn O2/PLM@LE/Na固态电池体系,该电池体系在100 m A g-1电流密度下展现出了79.4 m Ah g-1初始容量,且能稳定循环160圈。
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