一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开的高容量钾离子电池有机羰基电极材料，电极材料的活性物质为2,2’‑联吡啶‑5,5’‑二甲酸钾盐；本发明专利技术还公开了上述高容量钾离子电池有机羰基电极材料制备方法，包括以下步骤：将氢氧化钾或碳酸钾与去离子水配制成溶液A；将2,2’‑联吡啶‑5,5’‑二甲酸加入溶液A中，溶解得到混合溶液B；将混合溶液B加热，取反应物加入无水乙醇中得到白色沉淀；抽滤、无水乙醇清洗得到白色晶体，干燥得到电极材料。本发明专利技术的高容量钾离子电池有机羰基电极材料具有多电子转移特性，比容量超高，绿色环保，电化学特征明显，结构稳定等特点。合成制备工艺简单，容易大规模生产，有望作为下一代绿色二次电池的重要成员。

【技术实现步骤摘要】
一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料及其制备方法
本专利技术属于二次电池
，具体涉及一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料，本专利技术还涉及上述高容量钾离子电池有机羰基电极材料的制备方法。
技术介绍
目前，有机化合物由于其具有氧化还原活性且能够可逆的储能，近几年逐渐受到人们的关注。与无机类电极材料相比，有机电极材料本身具有结构多样，合成简单，绿色友好，原材料成本低等诸多优势，而且有机电极材料在储能方面表现出高的能量密度和循环稳定性。有机电极材料的电化学储能在很大程度上取决于单个分子行为，而不是像无极电极材料(如LiCoO2)中对过渡金属元素临界晶格的依赖性。有机材料的分子间相互作用是通过范德华力所连接的，因此，有机电极材料可以为大半径金属离子提供更多的空隙，而不需要考虑尺寸问题。小分子有机储能材料作为钾离子电池电极材料的探究目前处于尝试阶段，因此从分子结构设计、优化的角度来进一步获得具有优异性能的钾离子电池储能材料的研究成为下一步的研究方向。有机电极材料具有结构多样性，因此仍然有多种多样结构的有机电极材料可以探究。基于共轭羰基(C＝O)的小分子有机电极材料，其共轭羰基的可逆打开和恢复可以进行可逆的储能过程。但是目前已经开发的有机储能材料容量较低，我们设想将苯环取代为吡啶环来对其结构进行设计，一方面引入N原子增加了活性位点，使材料具有大的π共轭平面；另一方面，由于C＝O与C＝N分子间作用力不同，可能使得电化学脱嵌平台不同，从而进一步优化电极材料的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料，比容量较大，绿色环保，电化学特征明显。本专利技术的另一目的在于提供上述高容量钾离子电池有机羰基电极材料的制备方法，该制备方法简单，易于大规模推广生产。本专利技术所采用的第一种技术方案是：一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料，所述电极材料的活性物质为2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐，结构式如下：本专利技术所采用的第二种技术方案是：一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、称量氢氧化钾或碳酸钾，量取去离子水，将氢氧化钾或碳酸钾与去离子水配制成溶液A；步骤2、将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸加入溶液A中，经过磁力搅拌至固体全部溶解得到混合溶液B；步骤3、将混合溶液B在密封条件下用水热釜进行加热反应，反应结束后取反应物加入无水乙醇中得到白色沉淀；步骤4、将步骤3所得白色沉淀进行抽滤除去上层清液，同时用无水乙醇清洗，收集得到白色晶体，最后将收集到的白色晶体放置在真空干燥箱中干燥，得到2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐电极材料。本专利技术第二种技术方案的特点还在于，步骤1中氢氧化钾与去离子水的配比为1.12g：40ml；或者，碳酸钾与去离子水的配比为1.38g：40ml。步骤2混合溶液B中2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸与氢氧化钾的物质的量比为1:2-4；或者，2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸与碳酸钾的物质的量比为1:1-2。步骤3中的加热温度为100-120℃，加热时长为48-72h。步骤4真空干燥箱中的干燥温度为100-120℃，干燥时长为5-7h本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术制备的钾离子电池有机羰基电极材料具有超高的储钾比容量。(2)本专利技术制备的钾离子电池有机羰基电极材料能够有效解决锂资源稀缺以及分配不平衡问题。(3)本专利技术制成的钾离子电池有机羰基电极材料具有可逆的脱嵌钾离子性能，并且具有更稳定的有机柔性结构。(4)本专利技术制备的钾离子电池有机羰基电极材料具有绿色环保特性，且合成工艺简单，易于大规模生产。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐的X射线衍射(XRD)图谱；图2是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐的傅里叶红外光谱图(FT-IR)；图3是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐的核磁共振(NMR)图谱；图4是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐的热重(TGA)图谱；图5是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐应用于钾离子电池，在电流密度为10mAg-1下的首周充放电曲线图；图6是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐应用于钾离子电池，在电流密度为10mAg-1的前三周充放电曲线图；图7是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐应用于钾离子电池循环伏安(CV)图；图8是实施例1制备的2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐组装半电池进行不同电解液体系下循环性能测试效果图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料，电极材料的活性物质为2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐，结构式如下：上述高容量钾离子电池有机羰基电极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、称量氢氧化钾或碳酸钾，量取去离子水，若为氢氧化钾则与去离子水的配比为1.12g：40ml，若为碳酸钾则与去离子水的配比为1.38g：40ml，将氢氧化钾或碳酸钾与去离子水配制成溶液A；步骤2、将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸加入溶液A中，经过磁力搅拌至固体全部溶解得到混合溶液B，2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸与氢氧化钾的物质的量比为1:2-4；或者，2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸与碳酸钾的物质的量比为1:1-2；步骤3、将混合溶液B在密封条件下用水热釜进行加热反应，加热温度为100-120℃，加热时长为48-72h，反应结束后取反应物加入无水乙醇中得到白色沉淀；步骤4、将步骤3所得白色沉淀进行抽滤除去上层清液，同时用无水乙醇清洗，收集得到白色晶体，最后将收集到的白色晶体放置在真空干燥箱中干燥，干燥温度为100-120℃，干燥时长为5-7h，得到2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐电极材料。通过上述方式，本专利技术提供的高容量钾离子电池有机羰基电极材料—2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐。其具有多电子转移特性，比容量超高，绿色环保，电化学特征明显，结构稳定等特点。该类材料合成制备工艺简单，容易大规模生产，有望作为下一代绿色二次电池的重要成员。实施例1一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料的制备方法，包括以下步骤：1)称量1.12g的氢氧化钾(KOH)，量取40ml去离子水，将氢氧化钾与去离子水配制成溶液A；2)加入2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸(C12H8N2O4)1.22g于溶液A中，该混合溶液B在经过1小时磁力搅拌作用后固体全部溶解；3)将上述混合溶液B在110℃反应72h，该溶液反应采用水热釜在密封条件下进行，反应结束后取20ml反应物加入50ml无水乙醇中得到白色本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料，其特征在于，所述电极材料的活性物质为2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐，结构式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料，其特征在于，所述电极材料的活性物质为2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐，结构式如下：





2.如权利要求1所述的一种高容量钾离子电池有机羰基电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、称量氢氧化钾或碳酸钾，量取去离子水，将氢氧化钾或碳酸钾与去离子水配制成溶液A；
步骤2、将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸加入溶液A中，经过磁力搅拌至固体全部溶解得到混合溶液B；
步骤3、将混合溶液B在密封条件下用水热釜进行加热反应，反应结束后取反应物加入无水乙醇中得到白色沉淀；
步骤4、将步骤3所得白色沉淀进行抽滤除去上层清液，同时用无水乙醇清洗，收集得到白色晶体，最后将收集到的白色晶体放置在真空干燥箱中干燥，得到2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸钾盐电极材料。


3.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓七九，罗宗斌，苟博，刘海玄，周洋洋，杨蓉，燕映霖，许云华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61