一种复合柔性电极材料及其制备方法和用途技术

一种基于聚酰亚胺的复合电极材料及其制备方法。所述电极材料含有聚酰亚胺和碳基材料，聚酰亚胺以纳米片或纳米颗粒的形式分布在碳基材料中。本发明专利技术提供的材料用于锂离子电池正极有高的比容量，好的稳定性，具有柔性，适合用于制作柔性电极。本发明专利技术的方法简洁，适合大批量制备电极材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于聚酰亚胺的复合电极材料及其制备方法。所述电极材料含有聚酰亚胺和碳基材料，聚酰亚胺以纳米片或纳米颗粒的形式分布在碳基材料中。本专利技术提供的材料用于锂离子电池正极有高的比容量，好的稳定性，具有柔性，适合用于制作柔性电极。本专利技术的方法简洁，适合大批量制备电极材料。【专利说明】
本专利技术属于电极材料领域，特别涉及一类聚酰亚胺/碳纳米管复合柔性电极及其 制备方法，以及由该方法制备的电极在锂离子电池上的应用。
技术介绍
锂离子电池是一种具有高容量、高电压、长循环寿命、无记忆效应等优点的二次电 池，广泛应用于数码设备、电动自行车、电动汽车、储能等领域。锂离子电池的原理主要是储 锂，也就是储存电子。充电时，锂离子从正极脱出，通过电解液嵌入负极，负极处于富锂状 态，正极处于贫锂状态。放电时正好相反，锂离子从负极脱出，经过电解液嵌入正极，电子则 从外电路由负极流向正极，给负载供电。锂离子电池的正极材料主要是基于过渡金属氧化 物的无机材料，已经实现商业化的材料包括LiCo0 2, LiMn204, LiFeP04和三元材料等。由于 受这种储锂原理和过渡金属氧化物自身结构的制约，这类无机电极材料的能量密度很难进 一步提高。另一方面基于过渡金属，其资源有限，制备过程中的高温高能耗也带来了环境的 负担。在这一背景下，许多研究者将目光转向了新型电极材料，比如有机锂电材料。 羰基类化合物是有机锂电材料中一种新颖的电极材料，由于羰基可以与锂离子发 生氧化还原反应，可逆性好，因此有高的比容量，近年来在有机锂电材料领域得到了越来越 多的研究。聚酰亚胺是一类得到广泛应用的特种工程材料，结构稳定耐高温，由于聚酰亚胺 含有羰基因此适合用作有机锂电材料。目前的研究主要着重于具有新结构材料的合成，容 量的提高，循环性能的提升等电化学性能方面的优化，而并没有充分利用聚酰亚胺本征柔 性方面的特点，没有开发柔性电极方面的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种聚酰亚胺/碳基材料的复合柔性电极材料。本发 明为了利用聚合物具有本征柔性的优点，开发柔性的高比容量电极以用于制作柔性锂离子 电池。 为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种基于聚酰亚胺的复合柔性电极材料，所述电极材料包含聚酰亚胺和碳基材 料，聚酰亚胺以纳米颗粒或纳米片的形式分布在碳基材料中。 本专利技术提供的复合柔性电极材料，其中聚酰亚胺均匀分散在碳基材料中，碳基材 料优异的导电性能提高了复合电极材料的导电性，因此复合材料具有高的比容量，优良的 倍率性能和稳定的循环性能。 根据本专利技术的复合柔性电极材料，以聚酰亚胺/碳基复合材料的总重量为100重 量％计，所述聚酰亚胺含量为50?99重量％，例如为55重量％、62重量％、67重量％、74 重量％、82重量％、86重量％、90重量％、94重量％、98重量％等，优选70?98重量％,所 述碳基材料含量为1?50重量％，例如为5重量％、12重量％、17重量％、24重量％、32重 量％、36重量％、40重量％、44重量％、48重量％等，优选2?30重量％。 根据本专利技术的复合柔性电极材料，所述聚酰亚胺由均苯四甲酸二酐、1，4, 5, 8-萘 四酸二酐、3, 4, 9, 10-茈四甲酸二酐中的任意一种与乙二胺、对苯二胺、2, 6-二氨基蒽醌、 二聚氰胺、2, 4, 6-二氨基啼陡、二（2-氨基乙基）胺、二（4-氨基苯基）胺、3, 3' -二氨基联 苯胺的任意一种聚合制备，例如均苯四甲酸二酐、1，4, 5, 8-萘四酸二酐与对苯二胺、均苯四 甲酸二酐、1，4, 5, 8-萘四酸二酐与2, 4, 6-三氨基嘧啶、3, 4, 9, 10-茈四甲酸二酐与2, 6-二 氨基蒽醌、3, 4, 9, 10-茈四甲酸二酐与三（4-氨基苯基）胺等聚合制备。优选均苯四甲酸二 酐与乙二胺或三（2-氨基乙基）胺聚合。所述的聚合例如下面反应式所示 ： 丨W純 -H2- Jn R= 一 安 μ i ° ^ -梦今 NH2 n η2Λη2 - \J~\_J 〇^_o' I敗.g ^ Λ Λ X 优选地，所述碳基材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维中的一种或两种 以上的混合。其中单壁碳纳米管、多壁碳纳米管都可实现本专利技术。 优选地，所述碳基材料为单壁碳纳米管，优选直径为1?3nm，长度为5?30 μ m。 本专利技术中所述的纳米片大小可为约100?400nm，纳米颗粒大小可为约100? 300nm。 本专利技术的一种实施方式中，一种基于聚酰亚胺的复合电极材料，所述电极材料包 含聚酰亚胺和碳基材料，其中，聚酰亚胺以纳米颗粒或纳米片的形式分布在碳基材料中。所 述聚酰亚胺由均苯四甲酸二酐与乙二胺或三（2_氨基乙基）胺聚合，所述碳基材料为直径 1?3nm，长度5?30 μ m的碳纳米管。以聚酰亚胺/碳基复合材料的总重量为100重量％， 所述聚酰亚胺含量为70?98重量％，碳基材料含量为2?30重量％。 为了利用聚合物具有本征柔性的优点，开发柔性的高比容量电极以用于制作柔性 锂离子电池，本专利技术还提供了一种聚酰亚胺/碳基材料的复合柔性电极材料的制备方法。 本方法包括两类，第一类是原位聚合法，在碳纳米管膜上原位聚合得到柔性电极； 该类方法中，聚酰亚胺以纳米片的形式分布在碳纳米管膜上。技术方案如下： -种制备本专利技术所述复合柔性电极材料的方法，包括如下步骤： (1)将碳基材料和表面活性剂分散于去离子水中，得到分散液； (2)将步骤⑴所得分散液抽滤，洗涤去除表面活性剂得到碳基材料膜； (3)将碳基材料膜固定在自制的反应容器中，向其中加入聚酰亚胺单体和有机溶 齐U，反应，待反应结束后，将所得膜处理即得所述电极材料。 其中，所述的自制容器的结构图见图1所示。内部为PTFE的固定支架，由底座，柱 状圆环和三个支柱组成，其中柱状圆环可以嵌入底座中，起到固定碳管膜的作用，普通车床 就可以加工。外部是一个柱状玻璃容器，瓶口为磨口，瓶口可以连接玻璃制的接口，连接冷 凝管和惰性气体连接管，所述玻璃容器任何玻璃加工厂均可加工。 对于本专利技术的制备方法，步骤（1)所述碳基材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨 烯、碳纤维中的一种或两种以上的混合。 优选地，所述碳基材料的浓度为0· 05?8mg/mL，例如0· 05mg/mL、0. 2mg/mL、 0· 5mg/mL、lmg/mL、2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL 等，优选 0· 1 ?6mg/mL,进一步 优选 〇· 2 ?5mg/mL。 优选地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸 钠、脱氧胆酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或两种以上的混合。 优选地，所述表面活性剂的浓度为0· 05?10mg/mL,例如0· 05mg/mL、0. lmg/mL、 0· 5mg/mL、lmg/mL、2mg/mL、4mg/mL、6mg/mL、8mg/mL、9. 5mg/mL 等，优选 0· 1 ?8mg/mL,进一 步优选0. 5?6mg/mL。 优选地，所述分散液通过超声得到。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于聚酰亚胺的复合柔性电极材料，其特征在于，所述电极材料包含聚酰亚胺和碳基材料，聚酰亚胺以纳米颗粒或纳米片的形式分布在碳基材料中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏志祥，吴海平，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11