[發(fā)明專利]金屬-有機(jī)框架材料作為堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料的應(yīng)用、堿金屬空氣電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010972993.4
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112133918B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 康書文;謝海明;叢麗娜;孫立群
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林省東馳新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M12/08
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 劉奇

本發(fā)明提供了金屬?有機(jī)框架材料作為堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料的應(yīng)用、堿金屬空氣電池，屬于電化學(xué)儲能領(lǐng)域以及金屬有機(jī)框架材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料中的金屬?有機(jī)框架材料的多孔特性有利于堿金屬離子流的均勻分布，促進(jìn)堿金屬的均勻沉積，避免堿金屬枝晶的不可控生長，防止出現(xiàn)堿金屬枝晶刺穿隔膜而導(dǎo)致的短路意外、火災(zāi)等安全事故等，保證堿金屬負(fù)極使用的安全穩(wěn)定性。同時，本發(fā)明的金屬?有機(jī)框架材料具有優(yōu)異的吸水性，能夠避免堿金屬空氣電池因水引起的腐蝕，提高了堿金屬空氣電池負(fù)極的穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和安全性能。以上述保護(hù)材料為保護(hù)層的堿金屬空氣電池，也具有優(yōu)異的循環(huán)性、穩(wěn)定和安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)儲能領(lǐng)域以及金屬有機(jī)框架材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及金屬-有機(jī)框架材料作為堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料的應(yīng)用、堿金屬空氣電池。

背景技術(shù)

隨著電動汽車等大型設(shè)備的快速發(fā)展，人們對于高能量密度的新型電池的需求不斷增加，普通的鋰離子、鈉離子、鉀離子電池已經(jīng)無法滿足人們的需求，亟需發(fā)展新一代高能清潔能源。

堿金屬空氣電池以其高能量密度吸引了眾多研究工作者的研究興趣。然而堿金屬空氣電池本身還有很多問題需要解決，如電解液的不穩(wěn)定性、正極的可逆性差以及負(fù)極的不穩(wěn)定性。目前，針對堿金屬空氣電池中電解液和正極的缺陷，已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報道和研究，且問題已經(jīng)得到很大改善；而針對堿金屬空氣電池的負(fù)極保護(hù)研究還相對較少，但負(fù)極的不穩(wěn)定性是影響鋰空氣電池實用化的重要因素。

堿金屬負(fù)極尤其是金屬鋰，由于其具有高理論比容量3860mA·h·g^-1和低電勢(-3.04V相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)等優(yōu)點成為一種最適合作為電池負(fù)極的材料。然而，堿金屬負(fù)極在充放電過程中會產(chǎn)生枝晶，枝晶不可控的生長會刺穿電池隔膜，造成電池短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)等安全事故，阻礙了堿金屬負(fù)極的實際應(yīng)用。同時，在堿金屬空氣電池中，活潑的堿金屬負(fù)極還會與電池中的氧氣、水、強(qiáng)氧化性物質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)，造成堿金屬的嚴(yán)重腐蝕，甚至?xí)A金屬消耗殆盡，引起堿金屬空氣電池的失效。所以，有效保護(hù)堿金屬負(fù)極成為了迫切需要解決的問題。

目前堿金屬負(fù)極保護(hù)方法有很多種：構(gòu)造三維骨架集流體是一種可以有效防止堿金屬枝晶生長的策略，但是在堿金屬空氣電池的高腐蝕環(huán)境中，增大的表面積會引起腐蝕面積增加，進(jìn)而加重堿金屬負(fù)極的腐蝕。調(diào)控電解液成分也是一種常見的保護(hù)堿金屬負(fù)極的策略，通過改變電解液中的成分，比如鹽、溶劑、添加劑等，控制堿金屬負(fù)極表面SEI膜的成分，但是用這種方法形成的保護(hù)膜中除了含有目標(biāo)有效成分之外，還有其他有害成分，影響了SEI膜的有效性。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供金屬-有機(jī)框架材料作為堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料的應(yīng)用、堿金屬空氣電池。本發(fā)明以金屬-有機(jī)框架材料為堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料，能夠防止金屬負(fù)極枝晶生長，還能耐腐蝕；提高了堿金屬空氣電池負(fù)極的穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和安全性能。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種金屬-有機(jī)框架材料作為堿金屬空氣電池負(fù)極保護(hù)材料的應(yīng)用，所述金屬-有機(jī)框架材料為MOF-801、MIL-160、UiO-66或MOF-303中的一種或多種，所述金屬-有機(jī)框架材料的比表面積為500m²/g以上。

優(yōu)選地，所述金屬-有機(jī)框架材料在堿金屬空氣電池負(fù)極上的負(fù)載厚度為10～1000μm。

本發(fā)明還提供了一種堿金屬空氣電池，包括正極、負(fù)極、電解液和隔膜，所述正極包括氣體電極、催化劑、第一粘結(jié)劑和導(dǎo)電填料，所述負(fù)極包括負(fù)極電極和負(fù)載在負(fù)極電極上的金屬-有機(jī)框架材料；所述負(fù)極電極為純鋰、純鈉、純鉀或堿金屬復(fù)合電極，所述堿金屬復(fù)合電極為銅、銀、金、鋁和碳材料中的一種或多種作為導(dǎo)電基底的堿金屬復(fù)合電極。

優(yōu)選地，所述金屬-有機(jī)框架材料以料漿的形式使用，所述料漿中包括金屬-有機(jī)框架材料和有機(jī)溶劑；所述金屬-有機(jī)框架材料和有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:10～10:1。