[發明專利]基于醌類結構的電池負極活性材料及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 201410245029.6
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN104795566B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 胡勇勝;吳曉燕;穆林沁;丁月君;陳立泉;黃學杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M10/054
• 代理公司: 北京億騰知識產權代理事務所11309
• 代理人: 陳霽

技術領域

本發明涉及材料技術領域，尤其涉及一種基于醌類結構的電池負極活性材料及其制備方法和用途。

背景技術

太陽能、風能等新能源具有可再生、環境友好等優勢，但由于其不穩定性，并入電網時需要經過能量轉換和儲存裝置來提高可靠性和利用率。化學電源是最有應用前景的儲能系統之一，其中鋰離子電池因其高能量密度和高電壓等優點，已廣泛應用于便攜式電子產品和電動汽車中。然而鋰資源儲量有限且提純成本高，限制了其大規模使用。

鈉與鋰同族，具有相似的化學性質，且儲量豐富，提純成本低廉。但是鈉離子半徑較大，在傳統無機電極材料中較難以實現可逆嵌入/脫出，導致其存在可逆比容量低，循環性能差的問題。目前，對負極材料的研究主要集中在碳負極、合金負極以及少數氧化物和磷酸鹽負極等。

碳負極材料中硬碳的碳層無序度最大，儲鈉效果最好，比容量可200-300mAh/g(J Electrochem Soc,2001,148,A803)，但由于其儲鈉電位太低且倍率性能差，在快速充電或過充時，鈉可能會在表面沉積形成枝晶，造成安全隱患；合金材料如錫、磷和鉛等，雖然具有較高的儲鈉容量，但是首周效率較低，循環性能差(J Power Sources,2013,225,316-322)，這主要是由于合金在脫嵌鈉過程中的體積形變較大，導致結構破壞，進而使儲鈉性能急速下降(Angew Chem,2013,125,4731-4734)；Na₂Ti₃O₇等氧化物負極材料的導電性差、儲鈉電位過低，首周庫侖效率低，且循環穩定性也有待提高(Adv Energy Mater,2013,3,1186-1194)；而以NaTi₂(PO₄)₃為代表的磷酸鹽負極材料雖然循環穩定性較高，但其較高的儲鈉電位導致能量密度降低(J Electrochem Soc,2011,158,A1067-1070)；有機負極材料，以對苯二甲酸鈉為典型代表(Adv Energy Mater,2012,2,962-965)，具有比容量高，循環穩定性高的優點，但由于儲鈉電位較低，電解液在電極表面大量還原分解，導致首周效率僅為60％左右，難以實際應用。

發明內容

本發明實施例提供了一種基于醌類結構的電池負極活性材料及其制備方法和用途，基于醌類結構的電池負極活性材料制備方法簡單，可以應用鈉離子二次電池的制備中。利用本發明實施例提供的基于醌類結構的電池負極活性材料制備的鈉離子二次電池，具有較高的工作電壓和首周庫侖效率、循環穩定、安全性能好。

第一方面，本發明實施例提供了一種基于醌類結構的電池負極活性材料，其特征在于，所述電池負極活性材料包括以醌類結構為電化學氧化還原反應位點的醌類化合物；

其中，所述醌類化合物包括苯醌鈉鹽衍生物、蒽醌鈉鹽衍生物或萘醌鈉鹽衍生物中的任意一種；所述苯醌鈉鹽衍生物、蒽醌鈉鹽衍生物或萘醌鈉鹽衍生物分別具有以下基團-ONa、-SO₃Na或-COONa中的至少一種。

優選的，所述苯醌鈉鹽衍生物的結構如通式(I)所示：

通式(I)

其中，基團R₁、R₂、R₃、R₄中的至少一個基團為-ONa、-SO₃Na或-COONa中的一種，其余基團包括-ONa、-SO₃Na、-COONa、-H、-CH₃、-NH₂、-OCH₃、-Cl、-Br或-F中的一種或幾種。

優選的，所述蒽醌鈉鹽衍生物的結構如通式(Ⅱ)所示：

通式(Ⅱ)

其中，基團R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈中的至少一個基團為-ONa、-SO₃Na或-COONa中的一種，其余基團包括-ONa、-SO₃Na、-COONa、-H、-CH₃、-NH₂、-OCH₃、-Cl、-Br或-F中的一種或幾種。

優選的，所述萘醌鈉鹽衍生物的結構如通式(Ⅲ)所示：