[發明專利]一種單離子納米復合固態電解質及其制備方法

有效

• 申請號: 202011036725.8
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112072176B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 張錦芳;王媛媛;李曉峰;劉斌;李瑩;李寧;胡勝亮
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/054;H01M10/42
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發明公開了一種單離子納米復合固態電解質及其制備方法，單離子納米復合固態電解質由苯乙烯磺酸鈉?甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物與ZIF?8復合組成，其在室溫下具有較好離子導電率，其制備方法是將苯乙烯磺酸鈉?甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物與ZIF?8進行原位復合得到，制備方法簡單，成本低，有利于大規模生產和應用。

技術領域

本發明涉及一種固體電解質材料，具體涉及一種單離子納米復合固態電解質還涉及其制備方法，屬于固體電解質制備技術領域。

背景技術

鋰離子電池作為重要的儲能技術已應用于各種便攜式電子設備和電動汽車領域。然而，鋰資源稀少、成本高，限制了其大規模應用。相比之下，鈉資源豐富、價格低廉，具有更大的市場競爭優勢。傳統的鈉離子電池電解質由鈉鹽和液態的溶劑組成，這種雙離子導體除了有機溶劑存在泄露和燃燒的風險，還存在鈉離子的遷移數較小的問題。

單離子導體相比雙離子導體的優點：1)具有高的離子選擇性(鈉離子的遷移數接近1)；2)減少陰離子在電極上的極化以及副反應的發生，提高電池的循環壽命。然而這種單離子導體最大的缺陷是離子電導率較低。大量研究表明支化結構有利于離子的傳輸，而且用納米填料復合聚合物可以提高有機固態電導率，比如加入納米二氧化硅、分子篩等等，提高離子電導率。

發明內容

針對現有技術單離子基固態電解質存在電導率較低問題，本發明的第一個目的是在于提供一種在室溫下具有較好離子導電率的金屬有機框架復合單離子固態電解質材料。

本發明的第二個目的是在于提供一種步驟簡單、條件溫和的制備單離子納米復合固態電解質的方法。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種單離子納米復合固態電解質，其由苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物包覆ZIF-8構成，或者由ZIF-8包覆苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物構成。

本發明的單離子納米復合固態電解質主要由苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物與ZIF-8組成，苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物主要通過其分子鏈上大量的醚氧氧原子來配位鈉離子，通過鈉-氧鍵的不斷斷裂/形成過程，使得電解質中的鈉離子傳輸通過鏈內或鏈間環箍進行；ZIF-8主要是將無規共聚物固定在有機框架中，借助ZIF-8獨特的通道來促進鈉離子的遷移。

作為一個優選的方案，所述苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物具有式1結構：

其中，

n/m＝(2～5)/(15～18)；

x為5～10。

本發明的苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物通過無規共聚均勻引入了磺酸鈉基團，磺酸根陰離子負電荷離域相對較高，有利于提供鈉離子，而甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯中的醚氧基團與鈉離子的不斷絡合-解離來實現離子的遷移。且苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物提供離子導電性能的只有鈉離子，離子遷移數較大。

作為一個優選的方案，苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物與ZIF-8之間的質量比為1～4:1。進一步優選為2:1

本發明還提供了一種單離子納米復合固態電解質的制備方法，該方法是將苯乙烯磺酸鈉和甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯單體通過自由基聚合反應，得到苯乙烯磺酸鈉-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯無規共聚物溶液，在所述溶液中加入鋅鹽溶液和1,2-二甲基咪唑溶液攪拌反應，即得。

作為一個優選的方案，所述自由基聚合反應的條件為：在保護氣氛下，采用偶氮二異丁腈引發聚合反應，在60～80℃溫度下，反應6～8h。

作為一個優選的方案，所述攪拌反應的溫度為10～40℃，時間為18～30h。