[发明专利]一种单离子纳米复合固态电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单离子纳米复合固态电解质及其制备方法，单离子纳米复合固态电解质由苯乙烯磺酸钠‑甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物与ZIF‑8复合组成，其在室温下具有较好离子导电率，其制备方法是将苯乙烯磺酸钠‑甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物与ZIF‑8进行原位复合得到，制备方法简单，成本低，有利于大规模生产和应用。

技术领域

本发明涉及一种固体电解质材料，具体涉及一种单离子纳米复合固态电解质还涉及其制备方法，属于固体电解质制备技术领域。

背景技术

锂离子电池作为重要的储能技术已应用于各种便携式电子设备和电动汽车领域。然而，锂资源稀少、成本高，限制了其大规模应用。相比之下，钠资源丰富、价格低廉，具有更大的市场竞争优势。传统的钠离子电池电解质由钠盐和液态的溶剂组成，这种双离子导体除了有机溶剂存在泄露和燃烧的风险，还存在钠离子的迁移数较小的问题。

单离子导体相比双离子导体的优点：1)具有高的离子选择性(钠离子的迁移数接近1)；2)减少阴离子在电极上的极化以及副反应的发生，提高电池的循环寿命。然而这种单离子导体最大的缺陷是离子电导率较低。大量研究表明支化结构有利于离子的传输，而且用纳米填料复合聚合物可以提高有机固态电导率，比如加入纳米二氧化硅、分子筛等等，提高离子电导率。

发明内容

针对现有技术单离子基固态电解质存在电导率较低问题，本发明的第一个目的是在于提供一种在室温下具有较好离子导电率的金属有机框架复合单离子固态电解质材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种步骤简单、条件温和的制备单离子纳米复合固态电解质的方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种单离子纳米复合固态电解质，其由苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物包覆ZIF-8构成，或者由ZIF-8包覆苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物构成。

本发明的单离子纳米复合固态电解质主要由苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物与ZIF-8组成，苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物主要通过其分子链上大量的醚氧氧原子来配位钠离子，通过钠-氧键的不断断裂/形成过程，使得电解质中的钠离子传输通过链内或链间环箍进行；ZIF-8主要是将无规共聚物固定在有机框架中，借助ZIF-8独特的通道来促进钠离子的迁移。

作为一个优选的方案，所述苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物具有式1结构：

其中，

n/m＝(2～5)/(15～18)；

x为5～10。

本发明的苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物通过无规共聚均匀引入了磺酸钠基团，磺酸根阴离子负电荷离域相对较高，有利于提供钠离子，而甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯中的醚氧基团与钠离子的不断络合-解离来实现离子的迁移。且苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物提供离子导电性能的只有钠离子，离子迁移数较大。

作为一个优选的方案，苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物与ZIF-8之间的质量比为1～4:1。进一步优选为2:1

本发明还提供了一种单离子纳米复合固态电解质的制备方法，该方法是将苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯单体通过自由基聚合反应，得到苯乙烯磺酸钠-甲基丙烯酸聚乙二醇甲醚酯无规共聚物溶液，在所述溶液中加入锌盐溶液和1,2-二甲基咪唑溶液搅拌反应，即得。

作为一个优选的方案，所述自由基聚合反应的条件为：在保护气氛下，采用偶氮二异丁腈引发聚合反应，在60～80℃温度下，反应6～8h。

作为一个优选的方案，所述搅拌反应的温度为10～40℃，时间为18～30h。