一种高容量有机储锂材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种高容量有机储锂材料，它为选自具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物。选用具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物，这样可以利用共轭双键在分子空间上的变换进行储锂，锂离子不仅可以存储在羧基基团上，还可能通过羧基位点的化学键变化，可逆地形成Li

【技术实现步骤摘要】
一种高容量有机储锂材料及其应用
本专利技术属于电池或超级电容器电极材料领域，涉及一种储锂材料，具体涉及一种高容量、高功率和长寿命有机储锂材料及其应用。
技术介绍
随着动力汽车和规模化储能技术的发展，高容量、高功率和长寿命电池与电容器已经成为最有发展前景的化学储能电源。活性材料是锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等化学储能器件的关键和核心。传统的无机储锂材料已经很多，并得到了广泛的应用，然而，无机储锂材料受到化学计量比等因素的限制，储锂容量有限；不仅如此，无机储锂材料本身的脆性大，在锂离子嵌入和脱出过程中明显的体积效应足以导致材料的结构和表面发生改变，硅负极和金属氧化物负极材料尤为明显，这些都在很大程度上制约着无机储锂材料的进一步发展和规模化应用。相比之下，有机材料具有很好的弹性和柔韧性，储锂过程的体积效应小，且具有绿色和可再生的特点，是发展下一代高比能、长寿命电池和电容器的一个重要发展方向。有机储锂材料和基于这类材料的化学电源具有环境友好、可再生、可加工性能好和价格低等特征，近年来引起了人们越来越多的关注。然而，迄今为止，有机储锂材料大都表现出储锂容量低，高倍率充放电性能差和循环寿命短的性质，比如，芘-4，5，9，10四酮只有275mAh/g的比容量，且在20次循环后容量降低至120mAh/g；萘醌具有190mAh/g的比容量，100次循环后的容量保持率不足40％；蒽醌具有250mAh/g的比容量，100次循环后容量降低至30mAh/g；2-乙烯基-4,8-二氢苯并-[1,2-b:4,5-b’]-二噻吩-4,8-二酮有机材料具有225mAh/g的比容量，25次循环后容量降低至50mAh/g。上述有机储锂材料循环性能差的主要原因与其在有机碳酸酯溶剂中的溶解性有关，溶解造成活性物质的损失是电极容量迅速衰退的重要原因，为了解决这一问题，人们通过分子聚合、接枝等手段提高材料的分子量，以期降低其在有机溶剂中的溶解性，然而有机小分子聚合会导致其活性位点减少甚至消失，同时材料的分子量大大增加，由此引起材料的比容量的进一步下降。不仅如此，有机储锂材料由于自身的导电性差，材料的高倍率充放电性能差，许多实验研究的充放电倍率都只能局限在0.1～1C之间，距离产业应用的要求相差甚远。由此可见，储锂容量低、倍率性能和循环性能差是制约有机储锂材料进一步发展和规模化应用的关键和瓶颈。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高容量、高功率和长寿命有机储锂材料。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高容量有机储锂材料，它为选自具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物。优化地，所述有机酸包括马来酸和富马酸，所述有机酸盐包括马来酸锂、马来酸钠、马来酸铁、马来酸钴、马来酸铝、马来酸镍、马来酸铜、马来酸钙、富马酸锂、富马酸钠、富马酸铁、富马酸钴、富马酸铝、富马酸镍、富马酸铜和富马酸钙。更优选为与阳离子复合后形成几乎不溶解于有机碳酸酯溶剂中的有机复合盐，如马来酸钴、富马酸镍、富马酸铝等。本专利技术的又一目的在于提供一种上述高容量有机储锂材料的应用，它用作电极的活性材料。优化地，所述电极的制备包括以下步骤：(a)将所述高容量有机储锂材料与粘结剂、导电剂在分散剂中进行混合制成电极浆料；所述高容量有机储锂材料、粘结剂以及导电剂的质量比为4～6：3～5：1；(b)将所述电极浆料涂布在集流体上，干燥后进行压制、分切，进一步烘干即可。进一步地，所述粘结剂为选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠和海藻酸钠中的一种或多种组成的混合物；所述导电剂为乙炔黑、导电碳黑、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种组成的混合物；所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或水。进一步地，步骤(b)中，所述压制的压力为1～3MPa/cm2。进一步地，步骤(b)中，所述烘干的温度为100～170℃。优化地，所述电极可用于锂离子电池、钠离子电池或超级电容器等电化学器件。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术高容量有机储锂材料，选用具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物，这样可以利用共轭双键在分子空间上的变换进行储锂，锂离子不仅可以存储在羧基基团上，还可能通过羧基位点的化学键变化，可逆地形成Li2O存储在电极微孔之中；这种材料的活性储锂位点多，一个具有丁烯二酸结构的分子可以存储8～12个锂离子。经测试，材料的可逆储锂容量高达1500mAh/g以上，比现有材料不足300mAh/g的水平提高了4～5倍，实现了该
显著的技术突破。这类有机酸及其金属盐在碳酸酯溶剂中的溶解性小，特别是通过二价阳离子复合后形成的有机复合盐，在有机碳酸酯溶剂中几乎不溶解；更重要的是，这种有机储锂材料材料弹性和韧性好，锂离子嵌入和脱出过程中几乎没有明显的体积效应，因此，材料具有优异的电化学循环稳定性，循环500次无明显的容量衰减；优化电极组成后，材料在100C条件下的可逆容量仍然超过570mAh/g,突破了传统的0.1～1C倍率限制，是一种具有高功率性质的有机储锂材料。这种有机储锂材料具有可再生的特点、来源丰富、价格低、对未来降低化学电源的成本和造价有重要意义，是发展未来高比能、高功率、长寿命和低造价化学电源的重要选择。附图说明附图1为实施例1中马来酸电极片的SEM图；附图2为实施例1中马来酸电极的前三次冲放电曲线；附图3为实验例1中马来酸电极的倍率充放电性质。附图4为实验例1中马来酸电极的长期循环性能。附图5为实验例1中马来酸电极在不同充放电状态下XPS图的Li1S强度变化。具体实施方式本专利技术高容量有机储锂材料，它为选自具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物；其中有机酸包括马来酸和富马酸，有机酸盐包括马来酸锂、马来酸钠、马来酸铁、马来酸钴、马来酸铝、马来酸镍、马来酸铜、马来酸钙、富马酸锂、富马酸钠、富马酸铁、富马酸钴、富马酸铝、富马酸镍、富马酸铜和富马酸钙。这样可以利用共轭双键在分子空间上的变换进行储锂，锂离子不仅可以存储在羧基基团上，还可能通过羧基位点的化学键变化，可逆地形成Li2O存储在电极微孔之中；这种材料的活性储锂位点多，一个具有丁烯二酸结构的分子可以存储8～12个锂离子。经测试，材料的可逆储锂容量高达1500mAh/g以上，比现有材料不足300mAh/g的水平提高了4～5倍，实现了该
显著的技术突破。这类有机酸及其金属盐在碳酸酯溶剂中的溶解性小，特别是与阳离子复合后形成几乎不溶解在有机碳酸酯溶剂中的有机复合盐(如马来酸钴、富马酸镍、富马酸铝等)；更重要的是，这种有机储锂材料材料弹性和韧性好，锂离子嵌入和脱出过程中几乎没有明显的体积效应，因此，材料具有优异的电化学循环稳定性，循环500次无明显的容量衰减；优化电极组成后，材料在100C条件下的可逆容量仍然超过570mAh/g,突破了传统的0.1～1C倍率限制，是一种具有高功率性质的有机储锂材料。这种有机储锂材料具有可再生的特点、来源丰富、价格低、对未来降低化学电源的成本和造价有重要意义，是发展未来高比能、高功率、长寿命和低造价化学电源的重要选择。上述高容量有机储锂材料的应用，它用作电极的活性材料，可用于锂离子电池、钠离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高容量有机储锂材料，其特征在于：它为选自具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种高容量有机储锂材料，其特征在于：它为选自具有丁烯二酸共轭键结构的有机酸及其盐中的一种或多种组成的混合物。2.根据权利要求1所述的高容量有机储锂材料，其特征在于：所述有机酸包括马来酸和富马酸，所述有机酸盐包括马来酸锂、马来酸钠、马来酸铁、马来酸钴、马来酸铝、马来酸镍、马来酸铜、马来酸钙、富马酸锂、富马酸钠、富马酸铁、富马酸钴、富马酸铝、富马酸镍、富马酸铜和富马酸钙。3.权利要求1至2中任一所述高容量有机储锂材料的应用，其特征在于：它用作电极的活性材料。4.根据权利要求3所述高容量有机储锂材料的应用，其特征在于，所述电极的制备包括以下步骤：（a）将所述高容量有机储锂材料与粘结剂、导电剂在分散剂中进行混合制成电极浆料；所述高容量有机储锂材料、粘结剂以及导电剂的质量比为4~6：3~...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳，郑洪河，曲群婷，吴永德，朱国斌，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32