一种网络状凝胶电解质及其制备方法和含其的锂金属电池与流程

本发明涉及能源材料，特别是涉及一种网络状凝胶电解质及其制备方法和含其的锂金属电池。

背景技术：

1、随着新能源汽车和电子消费产品的日益发展，人们对电池能量密度的要求不断提高，传统锂离子电池已经很难满足需求。于是，具有高比容量优势的锂金属电池成为研究热点。金属锂的比容量为3860mah/g，电化学势为-3.04v(vs标准氢电极)，以锂金属作为负极的锂-硫电池、锂-空气电池等锂金属电池的重量能量密度可以达到400wh/kg以上。

2、但是要使用金属锂作为负极，还需要克服安全性和循环寿命等难题。在液态锂金属电池体系中，安全性和循环寿命的难题主要来源于充电过程中锂离子在负极的不均匀沉积，容易形成锂枝晶，可能穿透隔膜引起电池短路以及放电时锂剥离不均，形成死锂，消耗锂源。其中，短路问题严重阻碍了高能量密度的锂金属电池体系的发展和实际应用。作为解决上述难题方法之一，采用凝胶电解质代替原有的电解液可以让锂金属电池的使用更加安全。它避免了液态锂金属电池的漏液问题并且提高热失控的引发条件。但相比于液态电解液，凝胶电解质的离子电导率偏低，产生的界面阻抗较大，导致电池倍率和循环性能较差，使其无法满足目前的应用需求。因此，开发一款具有优异离子电导率和循环性能的凝胶电解质是迫在眉睫的。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种网络状凝胶电解质及其制备方法和含其的锂金属电池，它具有优异的循环和倍率性能。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种网络状凝胶电解质，包括单体a、单体b、单体c、锂盐、有机溶剂和引发剂，所述单体a为含有酰胺基的丙烯酰胺单体，所述单体b为支链星形分子结构的丙烯酸酯类单体，所述单体c为表面功能化的mof材料。

4、优选地，所述单体a包括甲基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、n，n-二甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、n-羟甲基丙烯酰胺和n-乙基丙烯酰胺中的一种或多种组合。

5、优选地，所述单体b包括乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯等中的一种或多种组合。

6、优选地，所述单体c的表面功能化处理引入的官能团包括羟基（-oh)、氨基（-nh2）、羧基（-cooh）、环氧基（-o-）等，mof材料包括但不仅限于hkust-1、zif-8、mil-101、uio-66、zif-67、mof-5和mil-100等中的一种或多种组合。

7、优选地，所述单体a、单体b和单体c的质量比为1：0.5～10：0.5～10。

8、优选地，所述单体a、单体b和单体c的质量之和占总凝胶电解质质量的1～15%。

9、优选地，所述锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂和双氟草酸硼酸锂中的一种或多种组合；锂盐电解质的质量占电解液的总质量的10％～16％。

10、优选地，所述有机溶剂包括环状有机溶剂和链状有机溶剂，环状有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中的一种或多种组合，链状有机溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中的一种或多种组合；有机溶剂的质量占电解液的总质量的80％～90％。

11、优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二（2-甲基丁腈）和过氧化苯甲酰中的一种或多种组合；引发剂的质量占电解液的总质量的0.01％～1.5％。

12、一种网络状凝胶电解质的制备方法，包括如下操作步骤：

13、s1、将单体a、单体b和单体c溶解/分散于含有锂盐的液态电解液中，加入引发剂，进行搅拌混合均匀，得到凝胶电解质的前驱液；

14、s2、将凝胶电解质的前驱液放入温度为30～50℃烘箱内搁置一段时间进行凝胶电解质的预聚合，而后将其转移到温度为60～85℃的烘箱内搁置一段时间得到网络状凝胶电解质。

15、一种固态锂金属电池，包括正极、锂金属负极、隔膜和上述所述的网络状凝胶电解质或采用上述所述的网络状凝胶电解质的制备方法制得的网络状凝胶电解质。

16、本发明相对于现有技术存在如下优点：

17、1、本发明的单体a中的酰胺基中含n成分与金属锂表面形成高离子电导率的li3n等氮化物，可以稳定锂金属负极的电极-电解质界面，使锂均匀沉积，减少锂枝晶和死锂的形成，抑制循环中阻抗的增长；

18、2、本发明的单体b中支链星形分子结构有利于聚合形成聚合交联网络，有较强的力学性能，维持电极界面良好接触，同时单体中极性基团(醚氧键、羰基等）与锂离子配位可以提高整体的离子电导率；

19、3、本发明的单体c表面功能化的mof被掺入聚合物链中，可以提供额外的离子传输通道，增强电解质的机械强度，优化电极/电解质界面接触，从而提高离子电导率和电化学稳定性；

20、4、本发明采用酰胺基的丙烯酰胺单体（单体a）和支链星形结构的丙烯酸酯单体（单体b）共聚，可以形成高度交联网络结构保证较高的电解质吸收率，同时降低界面阻抗，提高锂金属电池循环和倍率性能。

技术特征：

1.一种网络状凝胶电解质，其特征在于，包括单体a、单体b、单体c、锂盐、有机溶剂和引发剂，所述单体a为含有酰胺基的丙烯酰胺单体，所述单体b为支链星形分子结构的丙烯酸酯类单体，所述单体c为表面功能化的mof材料。

2.根据权利要求1所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述单体a包括甲基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、n，n-二甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、n-羟甲基丙烯酰胺和n-乙基丙烯酰胺中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述单体b包括乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯等中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述单体c的表面功能化处理引入的官能团包括羟基（-oh)、氨基（-nh2）、羧基（-cooh）、环氧基（-o-）等，mof材料包括但不仅限于hkust-1、zif-8、mil-101、uio-66、zif-67、mof-5和mil-100等中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述单体a、单体b和单体c的质量比为1：0.5～10：0.5～10。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述单体a、单体b和单体c的质量之和占总凝胶电解质质量的1～15%。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂和双氟草酸硼酸锂中的一种或多种组合；锂盐电解质的质量占电解液的总质量的10％～16％。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的网络状凝胶电解质，其特征在于，所述有机溶剂包括环状有机溶剂和链状有机溶剂，环状有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中的一种或多种组合，链状有机溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中的一种或多种组合；有机溶剂的质量占电解液的总质量的80％～90％；所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二（2-甲基丁腈）和过氧化苯甲酰中的一种或多种组合；引发剂的质量占电解液的总质量的0.01％～1.5％。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的网络状凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

10.一种固态锂金属电池，其特征在于，包括正极、锂金属负极、隔膜和权利要求1-8中任一项所述的网络状凝胶电解质或采用权利要求9所述的网络状凝胶电解质的制备方法制得的网络状凝胶电解质。

技术总结本发明公开了一种网络状凝胶电解质，包括单体a、单体b、单体c、锂盐、有机溶剂和引发剂，所述单体a为含有酰胺基的丙烯酰胺单体，所述单体b为支链星形分子结构的丙烯酸酯类单体，所述单体c为表面功能化的MOF材料；本发明还提供一种网络状凝胶电解质的制备方法及含有上述网络状凝胶电解质的固态锂金属电池。本发明的网络状凝胶电解质具有优异的循环和倍率性能。技术研发人员：邹敏敏,徐雄文,黄成,孙雅婷受保护的技术使用者：湖南立方新能源科技有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2