一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法技术

一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法，将4,4',4''‑三氨基三苯甲烷溶解在至少20ml的乙酸中；然后缓慢滴加到30ml溶有1,4,5,8‑萘四甲酸酐的DMF溶液中。将1步溶液在不低于160℃下搅拌过滤得到P‑NDI晶体。将2步得的晶体物分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取真空干燥得到纯有机聚合物。将3步骤中得的纯有机聚合物、聚偏氟乙烯、导电炭黑Super‑P按照质量比配置成混合物，加入溶剂N‑甲基吡咯烷酮制成浆料。将4步的浆料，涂覆在铜箔上，厚度不大于60μm，干燥得锂离子电池负极极片，再切成圆形极片，金属锂片作为对电极；在手套箱中组装成2032型扣式电池。

Preparation of a pure organic polymer lithium ion battery electrode material

【技术实现步骤摘要】
一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法
本专利技术属于一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法。
技术介绍
随着新能源与新能源技术的不断发展，锂离子电池得到越来越多的关注。过去二十年，锂离子电池发展迅猛，已经在小型电子设备、移动通讯、电动汽车、储能等领域得到广泛应用。但是锂离子电池的能量密度始终没能达到人们的需求，其原因是目前常用的电极材料都具有相应的不足和短板。如商业应用最早的LiCoO2层状结构型及其衍生物能量密度和循环性能都不够高，且Co的价格高昂、有毒，不能满足绿色环保的发展理念。聚阴离子型LiFePO4及其衍生物具有较高的循环稳定性和安全性，但是能量密度较低且低温性能差。尖晶石LiMn2O4正极材料及其衍生物，理论比容量低且高温循环稳定性差。锂离子电池负极材料也在飞速发展，出现石墨、硅、氧化物、石墨烯、Li4Ti5O12等众多负极材料，但是商业最成熟负极材料仍然是石墨，其他材料仍然存在许多的缺点亟待解决。因此，开发新体系的正负极材料显得当务之急。而有机物电极是一种新颖的电极材料，未来有可能广泛应用于锂离子电池。因为有机物价格低廉，资源丰富，这一优点是过渡金属无法比拟的。有机物之所以能作为电极材料是因为有目的设计的有机物电极具有非常好的氧化还原电对，并且可以设计许多新颖的结构形态。此外，有机物电极比较容易控制的HOMO/LUMO能级，同时有机物具有结构的灵活性，可以为尺寸较大的离子（102pm）提高迁移的通道。因此具有氧化还原电对的有机物材料非常适合锂离子电池。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法，以提供一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料产品，解决目前锂离子电池电极材料存在的不足问题。技术方案：一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法，具体包括如下步骤：（1）将4,4',4''-三氨基三苯甲烷（0.723g，2.5mmol）溶解在至少20ml的乙酸中；然后缓慢滴加到30ml溶有1,4,5,8-萘四甲酸酐(1.00g，3.75mmol)的DMF溶液中；按摩尔比1:1.5。（2）将步骤（1）中混合溶液在不低于160℃下，搅拌20-24小时，过滤得到P-NDI黄褐色晶体。（3）将步骤（2）中得到黄褐色块状晶体P-NDI聚合物分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取不低于12小时，真空干燥12小时，得到纯有机聚合物P-NDI。（4）将步骤（3）中得到纯有机聚合物P-NDI、聚偏氟乙烯（PVDF）、导电炭黑Super-P按照质量比50:15:35或60:10:30配置成混合物，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），搅拌不低于2小时后制备成锂离子电池电极浆料。（5）将步骤（4）中制备成锂离子电池电极浆料，涂覆在金属铜箔上，铜箔厚度为12μm，涂覆厚度不大于60μm，在温度不低于100℃下干燥不低于12小时，得到锂离子电池负极极片。（6）将步骤（5）中得到的锂离子电池负极极片切成直径为14mm的圆形极片，直径为15mm的金属锂片作为对电极。电解液为：1mol/LLiPF6溶解在碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）的溶剂中（摩尔比EC:DMC=1:1），在充满氩气的手套箱中组装成2032型扣式电池。所述含4,4',4''-三氨基三苯甲烷（C19H19N3），1,4,5,8-萘四甲酸酐（C14H4O6），均为分析纯。所述的4,4',4''-三氨基三苯甲烷加入的量为2.5～5mmol；1,4,5,8-萘四甲酸酐加入的量为3.75～7.5mmol；溶解所用的乙酸浓度为2～4mol/l，体积为20～40ml；N’,N-二甲基甲酰胺（DMF）为分析纯，纯度99.5%。所述的4,4',4''-三氨基三苯甲烷，1,4,5,8-萘四甲酸酐的比例按照摩尔比1:1.5进行均匀混合的。所述的溶剂乙酸加入量为20～40ml，DMF量为30～50ml。所述的步骤（1）中混合物的搅拌时间为不低于24小时，搅拌速率为200～500r/min。所述的步骤（2）中的合成温度为不低于160℃。所述的步骤（3）中四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取，加入的比例按四氢呋喃、甲醇、丙酮重量比晶体重量10～20:1。所述的步骤（3）中四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取，提取时间不低于12小时。所述的步骤（3）中四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取后，过滤，在100℃下真空干燥10～12h。所述的步骤（4）中配合物P-NDI、PVDF、Super-P按照质量比50:15:35或60:10:30。NMP加入的量为配合物P-NDI、PVDF、Super-P总重量的4～5倍。按照上述方式制得的纯有机聚合物锂离子电池电极材料：镁-萘二酰亚胺（简称P-NDI），与现有技术相比，本专利技术的优点在于：该纯有机聚合物具有结构新颖，并且是首次有报告应用于锂离子电池电极材料中。该P-NDI纯有机聚合物材料，在0.01V-3V，20mA/g的电流密度下第2次放电比容量达到300mAh/g；第30次循环后放电比容量仍有200mAh/g。本专利技术对合成设备要求低，操作简单。所合成的新型的金属物配合物P-NDI材料结构稳定，价格低廉，环境友好，是一种新颖的锂离子电池电极材料。附图说明图1是P-NDI合成示意图。图2是1,4,5,8-萘四甲酸酐与锂离子氧化还原反。图3为本专利技术实施例1产物的SEM和EDS图。图4为本专利技术实施例1产物的充放电曲线。图5为本专利技术实施例2产物的SEM和EDS图。图6为本专利技术实施例2产物的充放电曲线。具体实施方式以下结合说明书附图作为实施例，对本专利技术进一步说明。近来许多的科研工作者将锂离子电池电极体系从无机物向有机物转变。研究发现，含有C6环，结构上具有羰基基团可以与锂离子结合。如图1所示，为我们合成的P-NDI电极材料的结构图，4,4',4''-三氨基三苯甲烷和1,4,5,8-萘四甲酸酐形成六元环型的聚合物。图2所示P-NDI电极的充放电原理，放电时锂离子可1,4,5,8-萘四甲酸酐的羰基结合，双键变单键。充电时，锂离子结构中脱出，单键变回双键。实施例1：称取0.723g（2.5mmol）的4,4',4''-三氨基三苯甲烷溶解在20ml的乙酸中，然后缓慢滴加到30ml溶有1,4,5,8-萘四甲酸酐(1.00g，3.75mmol)的DMF溶液中，在160℃下搅拌24小时后，过滤得到黄色固体。将此固体分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取12小时后，真空干燥12小时，得到最终的产物，产率约为65%。将干燥后的P-NDI过300目筛。按P-NDI、PVDF、Super-P按照质量比50:15:35配置成混合物，加入PNM作为溶剂，搅拌2h后制备成锂离子电池电极浆料。将电极粘稠浆料，涂覆在12μm的铜箔上，涂覆厚度为50μm，在100℃下干燥12h，得到锂离子电池电极。所得到的电池电极切成直径为14mm的圆形极片，15mm金属锂片作为对电极，电解液为：1mol/LLiPF6溶解在EC和DMC的溶剂中（摩尔比EC：DMC=1:1），在充满氩气的手套箱中组装成2032型扣式电池。对所合成的P-NDI材料进行SEM形貌分析和EDX能谱分析。图3所示SEM和EDS图，所合成的P-NDI材料颗粒为片状团聚体。能谱结果显示样品所含元素为C、N、O。将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤包括：（1）将4,4',4''‑三氨基三苯甲烷（0.723g，2.5mmol）溶解在至少20ml的乙酸中；然后缓慢滴加到30ml溶有1,4,5,8‑萘四甲酸酐(1.00g，3.75mmol)的DMF溶液中；（2）将步骤（1）中混合溶液在不低于160℃下，搅拌20‑24小时，过滤得到P‑NDI黄褐色晶体；（3）将步骤（2）中得到黄褐色块状晶体P‑NDI聚合物分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取不低于12小时，真空干燥12小时，得到纯有机聚合物P‑NDI；（4）将步骤（3）中得到纯有机聚合物P‑NDI、聚偏氟乙烯（PVDF）、导电炭黑Super‑P按照质量比50:15:35或60:10:30配置成混合物，加入溶剂N‑甲基吡咯烷酮（NMP），搅拌不低于2小时后制备成锂离子电池电极浆料；（5）将步骤（4）中制备成锂离子电池电极浆料，涂覆在金属铜箔上，铜箔厚度为12μm，涂覆厚度不大于60μm，在温度不低于100℃下干燥不低于12小时，得到锂离子电池负极极片；（6）将步骤（5）中得到的锂离子电池负极极片切成直径为14mm的圆形极片，直径为15mm的金属锂片作为对电极。电解液为：1mol/L LiPF6溶解在碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）的溶剂中（摩尔比EC:DMC=1:1），在充满氩气的手套箱中组装成2032型扣式电池。...

【技术特征摘要】
1.一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤包括：（1）将4,4',4''-三氨基三苯甲烷（0.723g，2.5mmol）溶解在至少20ml的乙酸中；然后缓慢滴加到30ml溶有1,4,5,8-萘四甲酸酐(1.00g，3.75mmol)的DMF溶液中；（2）将步骤（1）中混合溶液在不低于160℃下，搅拌20-24小时，过滤得到P-NDI黄褐色晶体；（3）将步骤（2）中得到黄褐色块状晶体P-NDI聚合物分别用四氢呋喃、甲醇、丙酮索氏提取不低于12小时，真空干燥12小时，得到纯有机聚合物P-NDI；（4）将步骤（3）中得到纯有机聚合物P-NDI、聚偏氟乙烯（PVDF）、导电炭黑Super-P按照质量比50:15:35或60:10:30配置成混合物，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），搅拌不低于2小时后制备成锂离子电池电极浆料；（5）将步骤（4）中制备成锂离子电池电极浆料，涂覆在金属铜箔上，铜箔厚度为12μm，涂覆厚度不大于60μm，在温度不低于100℃下干燥不低于12小时，得到锂离子电池负极极片；（6）将步骤（5）中得到的锂离子电池负极极片切成直径为14mm的圆形极片，直径为15mm的金属锂片作为对电极。电解液为：1mol/LLiPF6溶解在碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）的溶剂中（摩尔比EC:DMC=1:1），在充满氩气的手套箱中组装成2032型扣式电池。2.根据权利要求1所述的一种纯有机聚合物锂离子电池电极材料的制备方法，其特征在于：所述4,4',4''-三氨基三苯甲烷（C19H19N3），1,4,5,8-萘四甲酸酐（C14H4O6），均为分析纯。3.根据权利要求1或2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建军，夏书标，李付绍，成飞翔，刘腾，
申请(专利权)人：曲靖师范学院，
类型：发明
国别省市：云南,53