本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，特別是涉及框架電解質(zhì)結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)膜的制備方法、電解質(zhì)膜及電池。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今能源驅(qū)動(dòng)的社會(huì)中，鋰離子電池作為一種關(guān)鍵的儲(chǔ)能裝置，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備以及大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池在技術(shù)發(fā)展過程中遭遇了諸多瓶頸。

2、如傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度有限，難以滿足日益增長的能量需求。并且液態(tài)電解質(zhì)的使用帶來了安全隱患，如過熱和短路時(shí)可能導(dǎo)致電池起火或爆炸。此外，鋰離子電池的循環(huán)壽命和充放電速度也有待提升。

3、鑒于傳統(tǒng)鋰離子電池的上述局限性，固態(tài)電池應(yīng)運(yùn)而生，并被廣泛認(rèn)為是下一代電池技術(shù)的核心發(fā)展方向。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，具有顯著提升能量密度和安全性的潛力，同時(shí)有望大幅延長電池的循環(huán)壽命并加快充放電速度，從而有效克服傳統(tǒng)鋰離子電池的諸多弊端，為高性能電池的發(fā)展開辟新路徑。

4、目前，固態(tài)電池所采用的固態(tài)電解質(zhì)主要涵蓋氧化物、硫化物和聚合物電解質(zhì)三大類，然而這三類電解質(zhì)在各自的發(fā)展進(jìn)程中均面臨著一系列棘手的問題。

5、具體的，氧化物電解質(zhì)雖然具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及相對較高的電導(dǎo)率，但其高昂的制備成本使得電池的整體制造成本大幅上升，并且，氧化物電解質(zhì)與電極材料之間的界面接觸問題始終未能得到妥善解決，這導(dǎo)致電池在充放電過程中界面電阻增大，電荷轉(zhuǎn)移效率降低，進(jìn)而使得電池性能出現(xiàn)波動(dòng)，穩(wěn)定性變差，極大地限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。

6、而硫化物電解質(zhì)盡管擁有較高的離子電導(dǎo)率以及相對出色的界面接觸性能，但其對環(huán)境濕度極為敏感，在潮濕空氣中極易發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出有毒氣體，這不僅對生產(chǎn)和存儲(chǔ)環(huán)境提出了嚴(yán)苛的要求，增加了制造和存儲(chǔ)的難度與成本，而且在實(shí)際使用過程中存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

7、聚合物電解質(zhì)具有良好的柔韌性，的確能夠在一定程度上有效解決電解質(zhì)與電極材料之間的界面接觸問題，但其室溫離子電導(dǎo)率較低，在常溫環(huán)境下無法滿足電池高效運(yùn)行所需的離子傳輸速率要求。同時(shí)，聚合物電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性較差，在高溫條件下容易發(fā)生降解和性能劣化，這嚴(yán)重影響了電池在高溫工況下的使用性能和循環(huán)壽命。

8、因此，需要框架電解質(zhì)結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)膜的制備方法、電解質(zhì)膜及電池，以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供框架電解質(zhì)結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)膜的制備方法、電解質(zhì)膜及電池，以解決固態(tài)電解質(zhì)在發(fā)展過程中所面臨的界面穩(wěn)定性差、離子電導(dǎo)率不足、機(jī)械性能不佳以及化學(xué)穩(wěn)定性低等多重瓶頸問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種框架電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括框架材料、有機(jī)分子單元以及離子單元；

3、所述框架材料具有多條埃級(jí)尺寸的有序通道；

4、所述有機(jī)分子單元以及所述離子單元均引入在所述框架材料的有序通道內(nèi)；

5、所述有機(jī)分子單元設(shè)置為電池電解液中的有機(jī)分子；

6、所述離子單元設(shè)置為金屬電池離子。

7、進(jìn)一步的，所述有機(jī)分子單元與所述框架材料之間通過強(qiáng)相互作用進(jìn)行結(jié)合鉚錠；

8、所述有機(jī)分子單元與所述離子單元之間通過弱相互作用來穩(wěn)定所述離子單元。

9、進(jìn)一步的，所述強(qiáng)相互作用為所述有機(jī)分子單元與所述框架材料中的活性位點(diǎn)所形成的吸附作用，使所述有機(jī)分子單元鉚錠在所述框架材料上；

10、所述弱相互作用為所述有機(jī)分子單元中負(fù)電荷位點(diǎn)與所述離子單元之間所形成的靜電作用，使所述離子單元穩(wěn)定于所述框架材料的有序通道內(nèi)。

11、進(jìn)一步的，所述框架材料的有序通道的尺寸范圍為且所述框架材料的有序通道設(shè)置為具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)。

12、進(jìn)一步的，所述框架材料為沸石材料、金屬有機(jī)框架、共價(jià)有機(jī)框架的一種或多種。

13、進(jìn)一步的，所述離子單元包括鋰離子、鈉離子、鉀離子或鋅離子。

14、進(jìn)一步的，所述有機(jī)分子單元為電池電解液溶劑中的有機(jī)分子。

15、進(jìn)一步的，所述有機(jī)分子單元為碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、聚碳酸酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、二氧戊環(huán)或乙二醇二甲醚中的至少一種。

16、在另一方面，還提出了一種電解質(zhì)膜的制備方法，包括如下步驟：

17、提供一具有有序通道的框架材料粉體，且有序通道的尺寸為埃級(jí)尺寸；

18、對框架材料粉體進(jìn)行物理壓實(shí)或粘結(jié)劑制備成膜，并進(jìn)行真空干燥，獲得原始分子篩膜；

19、將有機(jī)分子單元與離子單元通過物理化學(xué)方法引入至所述原始分子篩膜的有序通道中，獲得電解質(zhì)膜。

20、進(jìn)一步的，所述物理化學(xué)方法包括真空輔助液體填充方法或電化學(xué)循環(huán)激活方法。

21、進(jìn)一步的，所述真空液體填充方法包括如下步驟：

22、將所述原始分子篩膜放于電解液中，通過抽真空形成真空環(huán)境，以促進(jìn)所述有機(jī)分子單元及所述離子單元進(jìn)入所述有序通道中，獲得所述電解質(zhì)膜。

23、進(jìn)一步的，所述真空環(huán)境的真空度>10-2pa；

24、進(jìn)一步的，所述電化學(xué)循環(huán)激活方法包括如下步驟：

25、將所述原始分子篩膜組裝成金屬對稱電池，并浸沒至電解液中；

26、對金屬對稱電池施加一恒定電流，在電場作用下，促進(jìn)所述有機(jī)分子單元及離子單元進(jìn)入所述有序通道中，直至金屬對稱電池的電壓趨于穩(wěn)定，完成所述原始分子篩膜的激活，獲得所述電解質(zhì)膜；

27、進(jìn)一步的，所述恒定電流為10μa-500μa。

28、進(jìn)一步的，所述原始分子篩膜的厚度為50μm-200μm。

29、進(jìn)一步的，當(dāng)所述框架材料粉體通過物理壓實(shí)制備成膜時(shí)，所述壓力范圍為4t-15t。

30、進(jìn)一步的，當(dāng)所述框架材料粉體通過所述粘結(jié)劑制備成膜時(shí)，所述粘結(jié)劑所占比例為1wt％-1.5wt％，且所述粘結(jié)劑設(shè)置為聚四氟乙烯和聚偏二氟乙烯中的一種或多種。

31、在另一方面，本發(fā)明還提出了一種電解質(zhì)膜，采用上述實(shí)施例中所述的電解質(zhì)膜的制備方法制備而成。

32、在另一方面，本發(fā)明還提出了一種電池，包括采用上述實(shí)施例中所述電解質(zhì)膜的制備方法所制備的電解質(zhì)膜。

33、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

34、通過設(shè)置包括具有有序通道的框架材料、有機(jī)分子單元以及離子單元的框架電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，且將有機(jī)分子單元以及離子單元引入至有序通道內(nèi)，并將有序通道設(shè)置為埃級(jí)尺寸通道，這種微觀結(jié)構(gòu)能夠?yàn)殡x子單元的快速傳輸提供了良好的通道條件，有利于離子單元在電解質(zhì)中遷移，相比一些傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)，能夠提高離子單元的傳輸效率，達(dá)到提升離子電導(dǎo)率的目的。

35、并且，框架電解質(zhì)結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，具有更好的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，不易泄漏，降低了易燃等安全隱患，提高了電池在高溫或受到外部沖擊時(shí)的安全性。

36、進(jìn)一步的，有機(jī)分子單元與離子單元之間通過弱相互作用(即有機(jī)分子單元中負(fù)電荷位點(diǎn)與離子單元之間所形成的靜電作用)來穩(wěn)定離子單元，使得離子單元能夠更穩(wěn)定且高效地在有序通道內(nèi)傳輸，以有助于提高離子電導(dǎo)率。

37、進(jìn)一步的，有機(jī)分子單元與框架材料之間通過強(qiáng)相互作用(即有機(jī)分子單元與框架材料中的活性位點(diǎn)所形成的吸附作用)進(jìn)行結(jié)合鉚錠，這種緊密的結(jié)合方式有助于電解質(zhì)與電極材料之間形成更穩(wěn)定的界面，故當(dāng)應(yīng)用于電池中時(shí)，能夠減少界面電阻，降低因界面不穩(wěn)定導(dǎo)致的電極材料粉化和電解質(zhì)分解等問題，從而提高界面兼容性，延長電池的使用壽命。