尼龙工程塑料高值化电极活性材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供尼龙工程塑料高值化电极活性材料及其制备方法，该尼龙工程塑料高值化电极活性材料为尼龙或尼龙/碳复合材料，尼龙/碳复合材料为尼龙与碳纳米材料复合而成。本发明专利技术开创性的提出使用尼龙工程塑料作为电极活性材料，该类材料虽不含常规有机电极活性材料所具备的共轭结构，但却具有良好的热稳定性、机械柔性和电化学氧化还原反应活性，从而具有作为金属离子电池电极活性材料的潜能。同时，采用该类材料作为电极活性材料，能够提高尼龙工程塑料的附加值，减少对不可再生过渡金属氧化物和石墨等矿产资源的使用，非常有益于能源利用的可持续发展。

【技术实现步骤摘要】
尼龙工程塑料高值化电极活性材料及其制备方法
本专利技术属于电极材料领域，具体涉及一种尼龙工程塑料高值化电极活性材料及其制备方法。
技术介绍
能源是世界文明的驱动力及人类赖以生存与发展的基础。随着人类社会对能源需求的急速增加，由此引起环境污染影响与能源供应压力受到人们广泛关注。与其他二次电池体系相比，锂离子电池具有能量比高、循环寿命长、自放电低、工作电压高、工作温度宽、便于携带等优点，在手机、电脑、电动汽车，及航空航天、国家智能电网储能调峰等领域有广泛应用前景。目前，锂离子电池大多使用可逆嵌锂离子的化合物，充放电时锂离子在正负极之间来回移动。这些可以可逆嵌锂离子的化合物大多为锂盐过渡金属氧化及石墨等无机材料。但是，过渡金属氧化物与石墨等矿产资源属于不可再生资源，这些资源储量为有限储量，因此，发展新型可再生的有机电极材料将有益于能源利用的可持续发展。有机电极材料作为一类新兴的电化学储能材料成为锂离子电池有机正极材料的研究热点。目前锂/钠离子电池中传统有机电极材料大多数是共轭化合物，能够发生共轭大π键的电子云重排，因而具有一定的电子导电性能。然而，共轭有机电极材料的本征电子导电性以及有限的活性基团利用率导致其比容量和倍率性能相比传统无机材料还有很大的差距，更重要的是，共轭有机电极材料价格较为昂贵，限制了其广泛应用。尼龙工程塑料为一类常见的有机高分子工程塑料，其价格便宜，热学、力学性能稳定，在机械、化工、电器零件，如齿轮、水泵、输油管等领域具有非常广阔的应用，但其低附加值相对较低。由于尼龙是由有酰胺基团(-CO-NH-)的所组成的高聚物，不含传统有机电极材料中的共轭结构，并且具有电子绝缘性，因此尼龙工程塑料被认为不具有有机电极活性材料的发展潜质。
技术实现思路
本专利技术将尼龙工程塑料用作离子电池的电极活性材料，发现其具有较高的比容量、良好的倍率性能和循环稳定性能，基于这一发现本专利技术提供了以下方案：<电极活性材料>本专利技术提供尼龙工程塑料高值化电极活性材料，其特征在于：尼龙工程塑料高值化电极活性材料为尼龙或尼龙/碳复合材料，尼龙/碳复合材料为尼龙与碳纳米材料复合而成。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料，还可以具有以下特征：尼龙为尼龙6(聚己内酰胺)、尼龙7(聚庚内酰胺)、尼龙9(聚任内酰胺)、尼龙11(聚ω-氨基十一酰)、尼龙12(聚十二内酰胺)、尼龙13、尼龙46(聚己二酰丁二胺)、尼龙66(聚己二酰己二胺)、尼龙610(聚癸二酰己二胺)、尼龙612、尼龙1010、尼龙9T(聚对苯二甲酰壬二胺)、聚间苯二甲酰间苯二胺(MPIA)中的任意一种。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料，还可以具有以下特征：碳纳米材料为石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭、碳纤维、碳气凝胶、C60中的至少一种。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料，还可以具有以下特征：碳纳米材料的质量百分含量为0.5～30％。<制备方法>本专利技术还提供尼龙工程塑料高值化电极活性材料的制备方法，其特征在于：由尼龙与碳纳米材料通过物理共混制得。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料的制备方法还可以具有以下特征：物理混合的方式为机械球磨共混、机械剪切共混、超声分散共混中的一种或多种组合。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料的制备方法还可以具有以下特征：机械球磨共混的作用时间为1～8h，转速100～400rpm，机械球磨反应器内温度不超过80℃。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料的制备方法还可以具有以下特征：机械剪切共混的作用时间为30～120min，转速5000～30000rpm，机械剪切反应器内温度不超过80℃。优选地，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料的制备方法还可以具有以下特征：超声分散共混的作用时间为1～12h，超声功率为100～600W，超声反应器内温度不超过80℃。另外，本专利技术提供的尼龙工程塑料高值化电极活性材料也可以由尼龙单体在碳材料表面原位聚合得到，包括内酰胺开环聚合、ω-氨基酸自缩聚或二元胺与二元酸缩聚。优选地，内酰胺单体为己内酰胺、庚内酰胺、辛内酰胺、任内酰胺、十二内酰胺、十三内酰胺中的任意一种；二元酸为丙二酸、丁二酸、己二酸、癸二酸、对二苯甲酸中的任意一种；二元胺为与乙二胺、丙二胺、丁二胺、己二胺、癸二胺、十二烷二胺、对二苯胺、间苯二胺、对联苯二胺中的任意一种。原位聚合反应优选为溶液聚合或熔融聚合。二元胺和二元酸原位聚合时，先分别将等摩尔量的二元胺和二元酸配成水溶液，在60～70℃搅拌混合，中和成盐，反应产物冷却析出，过滤，真空干燥得到结晶的尼龙盐。溶液聚合时，取一定质量配比的碳纳米材料和尼龙盐(或内酰胺)，超声分散于溶剂中，转移至反应釜中，通入氮气和抽真空循环操作多次，在温度150～250℃下发生原位聚合反应1-6h；排水、抽真空，升温至250-300℃，继续反应1-4h，后得到尼龙/碳复合材料。原位聚合的溶剂为水、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、丙醇、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、1,4-二氧六环中的一种或多种组合。优选地，熔融聚合时，取一定质量配比的碳纳米材料和尼龙盐(或内酰胺)，混合均匀，转移至反应釜中，通入氮气和抽真空循环操作多次，在温度150～250℃下发生原位聚合反应1-6h，得到尼龙/碳纳米复合材料。专利技术的作用与效果本专利技术开创性的提出使用尼龙工程塑料作为锂/钠等金属离子电池电极活性材料，该类材料虽不含常规有机电极活性材料所具备的共轭结构，但却具有良好的热稳定性、机械柔性和电化学氧化还原反应活性，从而很有作为金属离子电池电极活性材料的潜能。同时，采用该类材料作为电极活性材料，能够提高尼龙工程塑料的附加值，减少对不可再生过渡金属氧化物和石墨等矿产资源的使用，非常有益于能源利用的可持续发展。附图说明图1为实施例一中采用纯尼龙6电极活性材料的锂离子电池的前三圈循环伏安曲线图；图2为实施例一中采用纯尼龙6电极活性材料的锂离子电池的倍率测试与库伦效率图；图3为实施例一中采用纯尼龙6电极活性材料的锂离子电池的循环寿命曲线图；图4为实施例二中制备的作为锂离子电池活性材料的尼龙66/石墨烯复合材料的前三圈循环伏安曲线；图5为实施例二中制备的作为锂离子电池活性材料的尼龙66/石墨烯复合材料的前三圈充放电曲线图；图6为实施例二中制备的作为锂离子电池活性材料的尼龙66/石墨烯复合材料的倍率测试与库伦效率图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术涉及的尼龙工程塑料高值化电极活性材料及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。<实施例一>本实施例一中采用纯尼龙6作为电极活性材料，具体为：将市售的尼龙6和导电剂(SP)、聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比6:3:1混合研磨均匀，按照情况滴加适量N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，研磨搅拌成稳定的浆料。涂覆成0.06mm厚的极片，在60℃鼓风干燥箱中烘3～6h，再移入真空干燥箱在80℃条件下烘12h，待冷却后取出，即得到工作电极。将制得的工作电极切成直径为10mm的极片，于手套箱中进行半电池组装，其中电解质是1MLiPF6，该电解液由碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.尼龙工程塑料高值化电极活性材料，其特征在于：所述尼龙工程塑料高值化电极活性材料为尼龙或尼龙/碳复合材料，所述尼龙/碳复合材料为所述尼龙与碳纳米材料复合而成。

【技术特征摘要】
1.尼龙工程塑料高值化电极活性材料，其特征在于：所述尼龙工程塑料高值化电极活性材料为尼龙或尼龙/碳复合材料，所述尼龙/碳复合材料为所述尼龙与碳纳米材料复合而成。2.根据权利要求1所述的尼龙工程塑料高值化电极活性材料，其特征在于：其中，所述尼龙工程塑料为尼龙6、尼龙7、尼龙9、尼龙11、尼龙12、尼龙13、尼龙46、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙1010、尼龙9T、聚间苯二甲酰间苯二胺中的任意一种。3.根据权利要求1所述的尼龙工程塑料高值化电极活性材料，其特征在于：其中，所述碳纳米材料为石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭、碳纤维、碳气凝胶、C60中的至少一种。4.根据权利要求1所述的尼龙工程塑料高值化电极活性材料，其特征在于：其中，所述碳纳米材料的质量百分含量为0.5～30％。5.尼龙工程塑料高值化电极活性材料的制备方法，其特征在于：由尼...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨应奎，黄志勇，何承恩，邱胜强，韩小彦，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42