一种基于相转换法制备的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极制造技术

本发明专利技术公开了一种基于相转换法制备的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极，涉及柔性锂离子电池的复合材料领域，所述柔性有机电极由3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺作为有机活性物质、聚氨酯作为骨架基底，碳黑作为导电剂，通过相转移制备法复合而成的柔性自支撑电极。本发明专利技术的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极提高了电池的容量和循环稳定性，同时避免了由无机材料引起的环境污染问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相转换法制备的3，4，9，10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极
本专利技术涉及一种应用在柔性锂离子电池中的复合材料领域，尤其涉及一种基于相转换法制备的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极。
技术介绍
锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命与高工作安全性的特点，已经被广泛应用于多样化的电子设备。目前，柔性可穿戴电子设备和植入式传感器的快速发展，这对储能器件提出了新的要求——柔性。所以，研究新的柔性锂离子电池成为当下热点与难点，而且柔性的电池必须提供高的能量，功率密度大，弯曲性和良好的机械性能。很多研究都集中在柔性电极，集流体和固体电解质方面，其中研究的难点和重点在于柔性电极，尤其是柔性正极。常见的制备柔性电极的方法有两种，第一种是将活性材料、聚合物粘结剂和导电剂混合以后涂在集流体上，第二种是将纳米结构的碳材料与活性材料混合后得到自支撑的电极。相比于第一种方法，第二种方法制备的自支撑电极不需要粘结剂和集流体，所以有着更高的能量密度和功率密度，比如说基于碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和碳布等制备过柔性自支撑电极。但是，已经报道的这些柔性电极通常采用像静电纺丝、磁共溅射等纳米制备方法，操作复杂、成本高昂且效率很低。而且在碳化过程中，碳材料可能会和活性物质如钴酸锂(LiCO2)发生反应，造成电池性能的下降。对比于纳米制备方法，相转换法用于制备柔性电极更为简单、安全且成本低廉。例如2017年BaoJunjie采用了相转换法制备了基于聚氨酯和磷酸铁锂的柔性电极用于锂离子电池，容量可达150mAhg-1(JournalofMembraneScience,2017,541,633)。但是无机材料存在一些缺点，矿产的开采以及加工等过程会引起较为严重的粉尘污染，且无机材料含有过渡金属元素，成本高昂且难以回收，会造成一定的环境污染，限制了其产业化前景。而有机电极材料可以从可再生的生物体中获取，使用后可自我降解，回到自然界中，转变为生物体的一部分，实现物质的循环利用，有机物作为锂离子电池的电极材料引起了业界的关注。因此，本领域的技术人员致力于开发一种通过采用操作步骤简单、制造成本低的相转换法来制备由有机分子代替无机材料构建的柔性有机电极用于锂离子电池中，该柔性有机电极不仅可以提高电池的容量和循环稳定性，同时也可以避免由无机材料引起的环境污染问题。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是采用操作步骤简单、制造成本低的相转换法来制备柔性有机电极用于锂离子电池中，提高电池的容量和循环稳定性，同时避免由无机材料引起的环境污染问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种柔性有机电极，所述柔性有机电极由3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺作为有机活性物质、聚氨酯作为骨架基底，碳黑作为导电剂，通过相转移制备法复合而成的柔性自支撑电极。进一步地，所述相转移制备法包含如下步骤：(1)将所述聚氨酯先加入到N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌溶解得到溶液1，随后将所述3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺和所述碳黑加入所述溶液1中搅拌4小时得到溶液2；(2)将步骤(1)中所述溶液2均匀涂在聚四氟乙烯板上，随后将所述聚四氟乙烯板浸没在去离子水中4小时，得到柔性有机电极前驱体；(3)将步骤(2)所述的柔性有机电极前驱体经过真空干燥，得到可以直接组装到锂离子电池中的柔性有机电极。进一步地，所述3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺、所述碳黑、所述聚氨酯按照如下质量比混合：3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺：碳黑：聚氨酯＝1:4:5或2:3:5或3:2:5。进一步地，所述加热搅拌是指在70℃下搅拌2小时。进一步地，所述真空干燥是指在100℃真空干燥箱中干燥2小时。进一步地，所述柔性有机电极的抗拉伸机械强度为0.5-1.1MPa。进一步地，所述柔性有机电极的截面厚度为100-120μm。进一步地，所述柔性有机电极表面为微孔结构。进一步地，所述微孔结构的平均孔径为0.5μm。本专利技术还提供一种锂离子电池，使用前述任一项所述的柔性有机电极作为正极。在本专利技术的较佳实施方式中，柔性有机电极的抗拉伸机械强度为1.1MPa，将其组装到锂离子电池中，在放电电流密度为0.05Ag-1时，电池的放电比容量可达到理论比容量137mAhg-1，在放电电流密度为1Ag-1时，电池的放电比容量可达到120mAhg-1。在本专利技术的另一较佳实施方式中，柔性有机电极的抗拉伸机械强度为0.8MPa，将其组装到锂离子电池中，在放电电流密度为0.05Ag-1时，放电比容量可达到114mAhg-1，在放电电流密度为1Ag-1时，放电比容量可达到90mAhg-1。本专利技术使用相转换法将碳黑和有机分子活性物质很好的复合在聚氨酯基底上，制备了柔性一体化自支撑电极，提高了电池的机械强度和柔性，同时也提高了电池的放电比容量和循环稳定性。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术实施例1的柔性有机电极PCT-145的平面SEM图；图2是本专利技术实施例1的柔性有机电极PCT-145的截面SEM图；图3是本专利技术实施例2的柔性有机电极PCT-235的平面SEM图；图4是本专利技术实施例3的柔性有机电极PCT-325的平面SEM图；图5是本专利技术实施例1-3的柔性有机电极的应力-应变图；图6是本专利技术实施例1-3的柔性有机电极分别组装到锂离子电池中的电池倍率性能图；图7是本专利技术实施例1-3的柔性有机电极分别组装到锂离子电池中的电池循环性能图。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。实施例1步骤1.称取4.98g聚氨酯(TPU)加入到30mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，升温至70℃，保温搅拌2小时，待TPU在DMF溶液中完全溶解，自然降温到室温。随后将0.996g的述3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺(PDI)和3.984g的碳黑(CB)加入上述溶液中于室温下搅拌4小时得到混合溶液，所述混合溶液成分质量比为PDI:CB:TPU＝1:4:5(wt:wt:wt)。步骤2.将步骤1中得到的所述混合溶液均匀涂在聚四氟乙烯模板上，随后将所述聚四氟乙烯板浸没在去离子水中4小时，得到柔性有机电极前驱体。步骤3.将步骤2得到的所述柔性有机电极前驱体转移到真空干燥箱中，在100℃真空干燥箱中干燥2小时，得到可以直接组装到锂离子电池中的柔性有机电极，将所述柔性有机电极记为PCT-145。通过扫描电子显微镜对柔性有机电极PCT-145进行表征分析，测得到的形貌照片如图1所示，其表面为微孔结构，微孔的平均孔径为0.5μm，测得的截面照片如图2所示，截面厚度为113.7μm。通过应力-应变实验对柔性有机电极PCT-145的机械性能进行表征，结果如图5所示，柔性有机电极PCT-145的抗拉伸强度为1.1MPa。通过将柔性有机电极PCT-145作为正极，组装到锂离子电池中进行电池性能的表征。电池在氩气保护的手套箱中组装，电池组件中除本专利技术的柔性有机电极PCT-145正极外，所用到的其他组件如：隔膜、电解质、负极均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性有机电极，其特征在于，所述柔性有机电极由3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺作为有机活性物质、聚氨酯作为骨架基底，碳黑作为导电剂，通过相转移制备法复合而成的柔性自支撑电极。

【技术特征摘要】
1.一种柔性有机电极，其特征在于，所述柔性有机电极由3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺作为有机活性物质、聚氨酯作为骨架基底，碳黑作为导电剂，通过相转移制备法复合而成的柔性自支撑电极。2.如权利要求1所述的柔性有机电极，其特征在于，所述相转移制备法包含如下步骤：(1)将所述聚氨酯先加入到N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌溶解得到溶液1，随后将所述3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺和所述碳黑加入所述溶液1中搅拌4小时得到溶液2；(2)将步骤(1)中所述溶液2均匀涂在聚四氟乙烯板上，随后将所述聚四氟乙烯板浸没在去离子水中4小时，得到柔性有机电极前驱体；(3)将步骤(2)所述的柔性有机电极前驱体经过真空干燥，得到可以直接组装到锂离子电池中的柔性有机电极。3.如权利要求2所述的柔性有机电极，其特征在于，所述3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺、所述碳黑、所述聚氨酯按照如...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴东清，马列，鲁登，杨鹏，黄涛，井凡，张广凤，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31