[發(fā)明專利]聚苝四甲酰二亞胺、其制備方法及在鋰/鈉電池中的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210080144.7
• 申請(qǐng)日: 2022-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN114456356B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭金云;劉新新;李文杰;馮祥明;陳衛(wèi)華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鄭州大學(xué)
• 主分類號(hào): C08G61/12
• 分類號(hào): C08G61/12;H01M4/60;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 張麗

本發(fā)明公開一種聚苝四甲酰二亞胺、其制備方法及在鋰/鈉電池中的應(yīng)用，屬于鋰/鈉離子電池正極材料技術(shù)領(lǐng)域，所述聚苝四甲酰二亞胺通過(guò)下述過(guò)程獲得：將3,4,9,10?苝四甲酰二亞胺與三氯化鐵在球磨罐里混合均勻后用球磨機(jī)進(jìn)行球磨反應(yīng)20?30分鐘，得到的產(chǎn)物用甲醇洗滌、干燥后得到聚3,4,9,10?苝四甲酰二亞胺，3,4,9,10?苝四甲酰二亞胺與三氯化鐵的質(zhì)量比為1:2~3。將上述電池材料裝配而成的鋰離子電池或鈉離子電池進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，與未聚合的苝四甲酰二亞胺正極材料相比，本發(fā)明的聚苝四甲酰二亞胺正極材料表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性、更加優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰/鈉離子電池正極材料領(lǐng)域，具體涉及一種聚苝四甲酰二亞胺、其制備方法及在鋰/鈉電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰/鈉離子電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜等組成。鋰/鈉離子電池的電化學(xué)性能在很大程度上取決于電極的活性材料。其中正極材料在確定鋰/鈉離子電池性能方面起著重要作用，是決定電池容量的決定性因素，并影響電池的成本。由于大多數(shù)鋰/鈉離子電池的設(shè)計(jì)和容量受正極材料限制，因此，設(shè)計(jì)和制造能夠克服鋰/鈉離子電池系統(tǒng)弱點(diǎn)的正極材料變得至關(guān)重要。解決這些問(wèn)題的方法是開發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的先進(jìn)正極材料。

目前，研究較多的是無(wú)機(jī)正極材料，但是經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)正極材料已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展瓶頸。況且相對(duì)來(lái)說(shuō)，制備條件比較苛刻，一般需要在高溫高壓等反應(yīng)條件下進(jìn)行，工藝復(fù)雜，而且重金屬的儲(chǔ)備也有限不能無(wú)限開采，重金屬的使用也會(huì)造成環(huán)境污染。相比之下，有機(jī)正極材料也可以在鋰/鈉離子電池中顯示出電化學(xué)活性，除了具有較高的理論比容量外，還具有元素儲(chǔ)量豐富、可溶液加工、制備方法溫和和分子結(jié)構(gòu)靈活可控等優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)今對(duì)儲(chǔ)能材料需求向高安全性、環(huán)境友好、原料低廉易得等方面發(fā)展，更小、更薄的便攜式儲(chǔ)能材料需求猛增也是發(fā)展有機(jī)正極材料的原因之一。有機(jī)材料結(jié)構(gòu)多變、制備簡(jiǎn)單、資源豐富且可以回收利用，后處理也符合綠色化學(xué)的理念。另外，有機(jī)正極材料之中不含金屬元素，可以制備安全性能更好、質(zhì)量更輕、比能量相對(duì)更高的儲(chǔ)能設(shè)備。另基于可逆官能團(tuán)轉(zhuǎn)化而進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)令有機(jī)正極材料不僅僅適用于鋰/鈉離子電池，還適用于鉀、鋅、鎂等電池體系。

常見(jiàn)的正極材料根據(jù)官能團(tuán)劃分為氮氧自由基、共軛羰基、硫醚等幾類材料，其中研究最多的是共軛羰基化合物，它擁有快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、庫(kù)倫效率與倍率性能等優(yōu)點(diǎn)。但是，小分子羰基化合物較好的溶解性會(huì)使其在液態(tài)電解質(zhì)中有一定的溶解度，而導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性較差。另外，有機(jī)小分子化合物的固有屬性即電導(dǎo)率比較低，也會(huì)影響到其電化學(xué)性能。

3,4,9,10-苝四甲酰二亞胺（PTCDI）是一類常見(jiàn)的共軛羰基類正極材料，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的容量。研究者對(duì)其結(jié)構(gòu)也做了一些改進(jìn)，多數(shù)是從酸酐出發(fā)，與二胺反應(yīng)，合成PTCDI的衍生聚合物，從而改進(jìn)它的電化學(xué)性能。本發(fā)明以PTCDI為原料，通過(guò)一種簡(jiǎn)便的固相反應(yīng)，氧化偶聯(lián)聚合方法制備聚苝四甲酰二亞胺（PPTCDI），并把PPTCDI作為正極材料，研究其在鋰/鈉離子電池的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種聚苝四甲酰二亞胺、其制備方法及在鋰/鈉電池中的應(yīng)用，基于球磨技術(shù)將苝四甲酰二亞胺聚合，制備成結(jié)構(gòu)上共軛體系更大、熱穩(wěn)定性更好、溶解度更低、導(dǎo)電性更高的聚苝四甲酰二亞胺，以解決有機(jī)小分子化合物作為電極材料時(shí)溶解度大和循環(huán)性能差的問(wèn)題，并將其應(yīng)用到鋰/鈉離子電池體系。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

聚苝四甲酰二亞胺具體結(jié)構(gòu)為通式（I）所示化合物：