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中国科学院大学张辽云课题组MCP: 基于修饰MOF的复合型固态聚合物电解质2021-12-04
创新点:中国科学院大学化学科学学院张辽云课题组通过简单的紫外光交联的方法制备了一种基于修饰MOF的双网络结构固态聚合物电解质,修饰MOF和动态硼酯键的引入,成功实现了电解质膜锂离子传输能力和机械性能的提升。

关键词:Macromolecular Chemistry and Physics, 修饰MOF,双网络结构,硼酯键,固态锂离子电池,中国科学院大学

金属有机框架(MOFs)材料是一种由中心金属离子和有机配体所构成的新型晶体多孔材料。与传统的无机纳米填料相比,它具有更大的比表面积和独特的表面路易斯酸性活性位点。MOFs特殊结构有利于吸附锂盐中的阴离子,MOFs 多孔结构也为锂离子提供离子传导通道以促进离子传导。因此,具有众多优点的MOFs被视为是设计高性能锂离子电池最具有吸引力的材料之一,受到了研究者的广泛关注。然而,当复合固态电解质体系中MOFs的含量较高时会引起纳米颗粒的团聚。这种团聚会影响锂离子的有效传输,并且会造成电解质膜机械性能的下降,严重损害电池的长循环性能。若能抑制MOFs纳米材料的团聚现象并且保留MOFs原有的特殊结构特征,这对于提高复合固态聚合物电解质的综合性能是非常有益的。

中国科学院大学化学科学学院张辽云课题组针对以上问题,利用MOF(UiO-66-NH2)上氨基的诱导作用,通过ε-己内酯在MOF表面的开环聚合,得到了一种聚合物修饰的MOF。这种修饰MOF表现出与聚合物基质更好的相容性,实现了MOF在复合体系中的均匀分散。并通过一种简单的紫外光固化方法,制备了基于MOF材料的双网络结构的复合固态聚合物电解质。该双网络结构可以为电解质膜提供足够的机械强度以抑制锂枝晶的生长,而均匀分散在交联网络中的修饰MOF可以进一步提高离子传导和机械性能。更重要的是,复合体系中硼酯键的引入,一方面能够确保复合体系拥有足够的电化学稳定性;另一方面,掺硼网络可以有效锚定锂盐解离所产生的阴离子,进一步实现锂离子的有效传导。研究结果表明,这种复合型固态聚合物电解质膜具有拓宽的电化学窗口(5.29 V)和改善的锂离子迁移数(0.59),组装的双锂电池也能在0.1 mA cm−2的电流密度下展现出优异的循环性能,表现出与锂金属负极良好的相容性。此外,将这种基于改性MOF的复合型固态聚合物电解质与锂金属负极和磷酸铁锂正极适配得到的固态电池也表现出良好的长循环性能和倍率性能。

该研究工作不仅提供了一种制备复合电解质膜的简单方法,而且也展示了改性 MOF 和硼酯键的有机结合的高性能固态聚合物电解质潜在的应用价值。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(52073285,11975238)的支持。中国科学院大学张辽云教授,中国石化北京化工研究院王蔼廉博士为论文共同通讯作者。中国科学院大学博士研究生刘玉和曾庆辉为论文共同第一作者。

WILEY

论文信息:

Modified MOF-Based Composite All-Solid-State Polymer Electrolyte with Improved Comprehensive Performance for Dendrite-Free Li-Ion Batteries

Yu Liu, Qinghui Zeng, Pingping Chen, Zhenfeng Li, Anqi Chen, Jiazhu Guan, Ailian Wang*, Liaoyun Zhang*

Macromolecular Chemistry and Physics

DOI:10.1002/macp.202100325

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