[发明专利]有机金属框架聚轮烷型隔膜及在电池中应用

说明书

本发明涉及有机金属框架聚轮烷型隔膜及在电池中应用，其特征如下：有机金属框架聚轮烷型隔膜由直线型聚合物、环糊精型基团分子、封端聚合物及能够与羟基形成有机金属框架的金属离子组成。有机金属框架聚轮烷型电解质隔膜由直线型聚合物、环糊精型基团的分子、封端聚合物、锂盐及能够与羟基形成有机金属框架的金属离子组成。本发明能够明显改善隔膜的吸液保液能力和耐高温性能，减少了隔膜在电池体系的阻抗，从而改善电池的电化学性能及安全性能。

技术领域

本发明涉及有机金属框架聚轮烷型隔膜及在电池中应用，具体涉及一种可用于锂电池、锂离子电池、钠电池、钠离子电池的液态电池隔膜及固态电池电解质隔膜，属于电池隔膜的技术领域。

技术背景

隔膜质量的优劣直接影响了锂离子电池的放电容量、循环寿命和安全性。动力电池和储能电池大多属于大电池。一个储能电池系统的能量动辄达到兆瓦级别。在使用大电池的过程中，对电池安全性的要求更高。在液态锂离子电池使用耐高温的隔膜或者在固态电池中使用耐高温的聚合物电解质被认为可以改善大电池的安全性。已经研究过的固态电池的聚合物电解质包括聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷、聚偏氯乙烯等。不过，目前研究的聚合物电解质仍然有在电池体系的副反应大、电导率低、电解质的界面阻抗大、不耐高温，容易因负极金属锂的析出而产生电池安全性的问题，使得目前固态电池的研究处于困难中，难以应用。为了进一步提升电池的能量密度，近年锂硫电池的研究也引起电池界的高度重视。锂硫电池的能量密度非常高，单质锂的理论放电质量比容量为3860mAh/g，锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂（Li₂S）时。相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600Wh/kg。锂硫电池的其它优点包括：生产成本低、使用后对环境影响较小、回收的能耗等。不过，锂硫电池还存在单质硫的电子导电性和离子导电性差、中间放电产物溶于有机电解液中等问题。特别是在充放电过程中，多硫离子会在正、负极间迁移（Shuttle效应）导致活性物质损失和负极固体电解质界面膜的破坏。考虑到金属-有机框架材料具有以下特别优点：不同配位金属离子的有机配体-金属离子或团簇有不同的内孔隙选择性，能够对锂硫电池充放电过程的多硫离子在正负电极的穿梭作用起到抑制的作用，因此，金属-有机框架材料制备的电池隔膜能对锂硫电池的充放电性能起显著的改善作用。其它电池体系的充放电过程中，如锰酸锂电池、三元电池的充放电过程，也存在溶解的金属离子（如锰离子）在正、负电极的穿梭问题，影响电池的充放电性能。采用这种金属-有机框架材料能对这种穿梭作用起到抑制作用，从而改善电池的充放电性能。同时，本发明的隔膜能够承受220℃以上温度的冲击而不发生明显的收缩，因此，使用这种隔膜或者电解质的锂离子电池的安全性能够得到明显的改善。此外，本发明的聚轮烷型隔膜或聚轮烷型电解质隔膜具有制备工艺绿色，操作简单，在固态电池体系的内阻低、耐高温性能好，与电解液体系的相容性好等优点，能够适合于工业生产。

发明内容

本发明的有机金属框架聚轮烷型隔膜及在电池中应用的特征在于：

所述的有机金属框架聚轮烷型隔膜是聚轮烷型液态电池隔膜和聚轮烷型电解质隔膜。

所述的有机金属框架聚轮烷型隔膜由直线型聚合物、环糊精型基团分子及封端聚合物组成，而且直线型聚合物穿过环糊精型基团的内腔疏水部分。

所述的有机金属框架聚轮烷型隔膜同时满足以下要求：熔点在185～290℃的范围内，孔隙率在30～82%的范围内，吸液率在10～95%的范围内，最大抗拉强度在6.33～15 MPa范围内。

所述的有机金属框架聚轮烷型隔膜同时满足以下要求：在LiPF₆浓度为1.0 mol L^-1的重量比1:1:1的碳酸乙二酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯混合电解液的电导率在2×10^-4～6×10^-3 S cm^-1的范围内，其电化学稳定窗口在2～5.1 V （vs. Li⁺/Li）的范围内。