一种有机正极活性材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种有机正极活性材料及其制备方法与应用，所述有机正极活性材料是通过聚合两个具有氧化活性位点的材料得到，该材料不仅具有较多的氧化还原对个数，同时也具有较高的分子量，解决了有机小分子溶解的问题。将该材料应用于制备碱金属离子电池或碱土金属离子电池时，由于氧化还原对个数较多，有机聚合物在充放电时可以快速的发生氧化还原反应，制备的碱金属离子电池或碱土金属离子电池有高比容量、大充放电倍率的特性，比能量高，稳定性好，寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及二次电池制作领域，具体而言，设及一种具有可大倍率充放电的有机 正极活性材料及其制备方法与应用。
技术介绍
上世纪90年代，索巧公司首次推出裡离子电池，经过几十年的发展，裡离子电池 的比容量、比功率和安全性都得到了较大的发展。但是，新型手持终端设备，电动交通工具， 大规模储能等领域的快速发展对现有的储能体系提出了新的要求：更高的能量密度、更高 的功率密度、更长的循环寿命、廉价和更高的安全性。现有的裡离子电池技术是基于裡离子 在金属氧化物正极材料中可逆地嵌入和脱出，由于其嵌入和脱出电势高于Li7Li电对，因 此可W组装成比水体系电池具有压的电池。在裡离子电池中，电池的正、负极材料对提高电 池性能有着决定性的作用。发展至今，作为裡离子电池负极的单质娃具有高达4200mAh/g 的比容量，然而，基于氧化物的正极材料的比容量仍低于200mAh/g。因此，开发具有高能量 密度、低成本和长循环寿命的新型绿色储能正极材料就显得尤为迫切。 尽管二次电池存在着各种各样的问题，人们对其作为储能的兴趣从未停止。随着 材料与工艺技术的不断进步，一些问题在逐步解决。同时人们也在不断的尝试新的体系，其 中电极活性有机材料由于结构多样，综合性能优异，环境友好等特点，近十年年来越来越受 关注。 有机聚合物的某些官能团具有电化学氧化还原性质，例如氨酿氨（Hy化oquinone) 是一种已经商业化的电极材料。其原理是利用苯酿（氧化态）和酪哲基（还原态）在销 电极表面形成可逆的氧化还原电对。除此之外，很多有机官能团具有与之类似的电化学 性质，例如氮氧自由基（Nitro;sylradical),共辆幾基（Con化gatedcarbonyl),西弗碱 (SchifTbase)。理论上，任意一个具有可逆氧化还原性质的材料都可W设计为电池的电极， 该为实现W有机聚合物作为电极材料的裡离子二次电池提供了理论依据。发展有机聚合物 电极材料具有如下潜在优势；（1)更高的功率密度。与传统无机电极材料相比，电化学氧化 还原过程发生在材料的表面而不是晶格内部，所W裡离子迁移率较大，可W进行大电流充 放电而不致于引起明显的浓差极化，换句话说，具有超级电容的特性。（2)电极材料选择范 围宽，设计空间大。具有电化学氧化还原活性的官能团种类繁多，可W灵活地选择官能团W 及聚合物主链。（3)具有柔初性。可W设计制作成更加小巧、轻便、柔初的储能装置，例如柔 性薄膜裡离子二次电池。（4)废弃物易处理，绿色环保。废弃的有机聚合物电极材料可W通 过燃烧或者生物降解的方法变成对环境好的气体小分子，再通过光合作用回到生物质。目前有机电极材料包括；有机小分子、有机聚合物、自由基聚合物，该些有机电极 主要的特点是： (1)可W实现多电子反应。通过调节有机分子或者聚合物上的活性位点数来增加 电池反应的电子数。 (2)可W实现高比能量。根据法拉第定律和能斯特公式W及各种电池反应的标准 反应自由能数据，可w计算化学电源体系的理论比容量，表达式如下： W = nXFXE/MX1000(Wh/kg) 其中n是电池反应的电子数，F为法拉第常数，E为电池工作电压，M为电池活性物 质的分子量。有机分子大多包含C、H、0、N等元素，不包含重金属元素，所W分子量都很低， 该样可W得到较高的比能量。 (3)可W实现快速反应。有机化合物发生氧化还原时仅设及到电荷转移。而大多 数时时候并未引起基团内部的化学键重组。 (4)环境友好、可再生。电极材料只含有可降解的有机元素，而不含有金属，且不会 设及到资源短缺的问题。 (5)电池可W设计任意形状。有机聚合物具有一定的柔性和初性，容易加工设计， 作为电池的正极材料时可W把电池设计为实用的形状。 根据发生电化学反应的有机官能团，大致可将现有的有机聚合物电极材料分为六 类，如表1所示。 表1.有机聚合物电极材料分类【主权项】1. 一种有机正极活性材料，其特征在于，其结构通式为式一、式二、式三或式四：2. 根据权利要求1所述的有机正极活性材料，其特征在于，R为共轭结构的有机物，包 括芳香族化合物、杂环类化合物、芳香族衍生物和杂环类衍生物。3. 根据权利要求2所述的有机正极活性材料，其特征在于，R为苯、萘、茈、蒽、咔唑，吡 咯、噻吩，呋喃。4. 根据权利要求1所述的有机正极活性材料，其特征在于，所述Ri为拉电子基团或推 电子基团、R2为拉电子基团或推电子基团、R3为拉电子基团或推电子基团、R4为拉电子基团 或推电子基团、馬为拉电子基团或推电子基团。5. 根据权利要求1所述的有机正极活性材料，其特征在于，Ri为烷基、羰基、羧基、硝 基、氛基、卤素或横酸基、R2为烷基、幾基、幾基、硝基、氛基、卤素或横酸基、R3为烷基、幾基、 羧基、硝基、氰基、卤素或磺酸基、R4为烷基、羰基、羧基、硝基、氰基、卤素或磺酸基、R5为烷 基、羰基、羧基、硝基、氰基、卤素或磺酸基。6. 根据权利要求1所述的有机正极活性材料，其特征在于，所述n为1~500000。7. -种权利要求1所述的有机正极活性材料的应用，其特征在于，该应用为，将所述材 料用于制备碱金属离子电池或碱土金属离子电池。8. 根据权利要求7所述的有机正极活性材料的应用，其特征在于，将所述材料用于制 备锂离子电池具体为：将30-90重量份的有机正极活性材料、10-70重量份的导电剂、10-40 重量份的粘结剂溶于有机溶剂中，有机溶剂与有机聚合物材料的质量比例为1:20 ;研磨成 浆料后涂布在集流体上，干燥后制成电极，干燥温度为50~60°C，以该电极为正极，碱金属 或碱土金属为对电极，以含有碱金属或者碱土金属盐的DOL和DME为电解液，在氩气或者干 燥的空气中制备碱金属或者碱土金属离子电池。9. 根据权利要求8所述的有机正极活性材料的应用，其特征在于，所述碱金属选自锂 (Li)、钠（Na)、钾（K);所述碱土金属选自：镁（Mg)、^ (Ca)。10. 根据权利要求8所述的有机正极活性材料的应用，其特征在于，所述导电剂为导电 石墨、导电炭黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或者多种以任意比例组成的混合物；所述粘结 剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯和缩甲纤维素钠中的一种或者多种以任意比例组成 的混合物；有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。【专利摘要】本专利技术公开了，所述有机正极活性材料是通过聚合两个具有氧化活性位点的材料得到，该材料不仅具有较多的氧化还原对个数，同时也具有较高的分子量，解决了有机小分子溶解的问题。将该材料应用于制备碱金属离子电池或碱土金属离子电池时，由于氧化还原对个数较多，有机聚合物在充放电时可以快速的发生氧化还原反应，制备的碱金属离子电池或碱土金属离子电池有高比容量、大充放电倍率的特性，比能量高，稳定性好，寿命长。【IPC分类】H01M10-0525, H01M10-05, H01M4-60【公开号】CN104810522【申请号】CN201510102235【专利技术人】程寒松, 孙玉宝, 李改, 曾丹黎 【申请人】杭州聚力氢能科技有限公司【公开日】2015年7月29日【申请日】2015年3月9日本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机正极活性材料，其特征在于，其结构通式为式一、式二、式三或式四：

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程寒松，孙玉宝，李改，曾丹黎，
申请(专利权)人：杭州聚力氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33