MOFs基固体电解质的制备及其在钠离子电池中的应用研究

作     者：周志远 

作者单位：内蒙古工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张瑶;张志军

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：金属有机骨架 MOF-74(Mg) 固体电解质 全固态钠离子电池 

摘      要：随着全球电动汽车生产的激增以及节能减排政策的实施,对可持续性能源储存技术的需求日益增长。锂离子电池因锂资源匮乏导致成本逐步提高,因此,除了锂基储能系统之外,钠离子电池倍受研究人员的青睐。电解质是电池的重要组成部分,不仅具有高安全性还能实现外形多样化加工,这使得固体电解质成为重点研究对象。本文利用金属有机骨架（Metal-organic Frameworks,MOFs）MOF-74（Mg）负载钠盐制备MOF-74（Mg）固体电解质,分别通过在MOF-74（Mg）骨架中复合对苯二甲酸（BDC）和掺杂Cu进行改性,制备双配体MOF-74（Mg）和双金属MOF-74（Mg）固体电解质膜,基于这三种固体电解质,组装了全固态钠离子电池,并通过相应的表征和测试手段分析其物理化学性质和电化学性能。（1）采用溶剂热法合成MOF-74（Mg）,与NaClO在N,N-二甲基甲酰胺溶液中搅拌12 h,使NaClO充分进入MOF-74（Mg）孔道中制备负载钠盐的固体电解质膜Na/MOF-74（Mg）。FT-IR与XPS表明NaClO成功进入孔道,ClO阴离子被Mg金属活性中心锚定,Na在被锚定的相邻ClO阴离子上进行传输。电化学测试结果表明电解质膜Na/MOF-74（Mg）的Na迁移数为0.58,离子电导率达到3.48×10S cm,电化学窗口范围为1-4.3 V。在0.2 C下表现出初始充电比容量104 mAh/g的优异电化学性能。（2）在MOF-74（Mg）骨架中分别复合与原始配体2,5-二羟基对苯二甲酸摩尔比为0.9:0.1、0.8:0.2和0.7:0.3的有机配体对苯二甲酸（BDC）,合成双配体MOF-74（Mg）(BMOF-X(B=BDC,X=10%、20%、30%))。N吸脱附测试与XPS表明BMOF-X的孔径、比表面积和孔容积较MOF-74（Mg）有明显的提升,有效提高了NaClO的负载量。测试三种BDC复合量的电化学性能,当BDC复合量为20%时,电化学性能较好,电解质膜Na/BMOF-2室温下的离子电导率提高至1.71×10S cm,Na迁移数提升至0.88。在0.2 C下初始充电比容量达到112.7 mAh/g为理论容量的95.8%,电化学性能得到了提升。（3）在MOF-74（Mg）金属活性中心位点掺杂Cu,与原始Mg金属活性中心的摩尔比分别为0.1:0.9、0.2:0.8和0.3:0.7,合成双金属活性中心MOF-74（Mg）(CMOF-X(C=Cu,X=10%、20%、30%)),由EDS可以看到Cu元素均匀分布并占有一定的质量比,表明Cu的成功掺入。电解质膜的XPS Cl 2p与Cu 2p谱观察到了Cu（ClO）,表明Cu也起到了解离孔道内NaClO的作用。测试三种Cu掺杂量的电化学性能,当Cu掺杂量为20%时,电化学性能较好,电解质膜Na/CMOF-2室温离子电导率高达3.18×10S cm,电解质膜Na/CMOF-1、Na/CMOF-2和Na/CMOF-3都获得了较高的Na迁移数分别为0.77、0.86和0.71。在0.2 C下循环圈数增至110圈,容量保持率显著提高至75.88%。