【摘 要】
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锂离子电池作为最具有应用前景的储能设备之一,在能源储存和动力供应等领域发挥了重要的作用。全固态锂离子电池的出现,成功解决了传统液态锂离子电池易挥发、易泄漏等安全问题,因此也吸引了众多科研工作者的深入探究。固态电解质作为制备锂离子电池的关键材料之一,其锂离子传导性能和稳定性的提高成为该领域的研究热点。金属-有机框架（Metal-organic frameworks,MOFs）是一种新型的离子导体材料
【基金项目】
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国家自然科学基金（21761023）； 内蒙古自然科学基金（2017ZD01）；
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锂离子电池作为最具有应用前景的储能设备之一,在能源储存和动力供应等领域发挥了重要的作用。全固态锂离子电池的出现,成功解决了传统液态锂离子电池易挥发、易泄漏等安全问题,因此也吸引了众多科研工作者的深入探究。固态电解质作为制备锂离子电池的关键材料之一,其锂离子传导性能和稳定性的提高成为该领域的研究热点。金属-有机框架（Metal-organic frameworks,MOFs）是一种新型的离子导体材料,其多孔性和结构可调性等特征在固态电解质锂离子传导的研究中展现出独特的优势。本论文设计合成了三种不同类型的MOFs材料,将其作为固态电解质用于锂离子传导性能探究。主要研究内容如下:第一部分,中空结构H-Ui O-66的设计合成。首先在水热条件下合成具有核壳结构的MOFs材料MOA@Ui O-66,进一步利用盐酸刻蚀的方式获得具有中空结构的H-Ui O-66,空腔结构和Ui O-66外壳晶格中开放金属位点（OMS）赋予其负载和传输Li+离子的能力。在结构表征基础上,进一步测试研究了其Li+离子传输性能。电化学性能测试表明,本体Ui O-66的离子电导率为3.21×10-4 S cm-1、锂离子迁移数为0.39、电化学窗口为2.26-4.41 V;而形成中空结构后,H-Ui O-66的离子电导率为1.17×10-3 S cm-1、锂离子迁移数为0.62,电化学窗口范围拓宽为1.52-5.73 V。由此表明,设计合成具有OMS和中空结构的MOFs材料,是获得高性能固态电解质的有效途径。第二部分,中空Li NO3@HM-MIL的设计合成。首先在水热条件下通过双金属表面选择性刻蚀的方法合成具有中空结构的MIL-101（HM-MIL）,进一步利用后修饰策略获得包覆高含量Li+的Li NO3@HM-MIL,中空结构和高负载量的Li+促使其改善Li+离子传输能力。在结构表征基础上,进一步探究其Li+离子传导性能。测试结果表明,未经处理的MIL-101（S-MIL-Cr）离子电导率为4.99×10-4S cm-1,锂离子迁移数为0.55,而中空HM-MIL的离子电导率和Li+迁移数分别提升为6.53×10-4S cm-1和0.76。利用后修饰策略进一步优化后,Li NO3@HM-MIL离子电导率为1.24×10-3 S cm-1,Li+迁移数提升为0.86,电化学窗口为2.45-5.74 V,由此证明,设计合成负载高含量Li+的中空MOFs材料,有益于改善固态电解质的电化学性能。第三部分,多级孔H-ZIF-8/HNT复合体系的设计合成。通过硝酸氢氧化锌纳米片的原位生长多级孔H-ZIF-8首先被合成,进一步与中空结构埃洛石纳米管（HNT）复合获得多级孔H-ZIF-8/HNT复合电解质,多级孔和中空结构促使其有效地负载和传输Li+离子,而HNT特殊的电荷模式赋予H-ZIF-8/HNT固定阴离子的能力,实现单离子（Li+）传导。在结构表征基础上,对其进行电化学性能测试,探究其Li+离子传导性能。测试结果表明,ZIF-8电解质的离子电导率为1.01×10-4S cm-1,锂离子迁移数为0.40。而多级孔结构H-ZIF-8的电化学性能得到了极大的改善,其离子电导率和锂离子迁移数分别为1.04×10-3S cm-1和0.71。进一步与HNT复合后,多级孔H-ZIF-8/HNT复合体系离子电导率和锂离子迁移数优化为7.74×10-3S cm-1和0.84,表明多孔MOFs与单离子传导机制相结合的方式,为优化固态电解质锂离子传导性能提供了新思路。
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