一种有机电极材料及其中间体、正极片和电池制造技术

本发明专利技术提供了一种有机电极材料及其中间体、正极片和电池，所述中间体具有式(I)所示的结构：其中，环A为芳基或者杂芳基，R1未取代或者取代的烷基；R2为卤素或者羟基；m为0

【技术实现步骤摘要】
一种有机电极材料及其中间体、正极片和电池


[0001]本专利技术涉及电池领域，具体涉及一种有机电极材料及其中间体、正极片和电池。

技术介绍

[0002]相对于铅蓄电池、镍氢电池等传统的二次电池来说，锂电池和钠电池具有高的能量密度、宽电压窗口和长的使用寿命等优势，尤其是锂电池被广泛应用于高价值的消费电子领域和动力电池领域。从《中国汽车产业发展年报2021》可以看出，电动汽车的销量超过100万辆，配套的动力锂电池达到了百GWh的水平，锂资源和钠资源的欠缺是影响产能的重大影响因素。但是目前的电极材料仍然局限于无机电极材料，例如镍钴锰三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂等。这些无机材料的自然储量有限、生产成本较高、环境污染和人权问题严峻，限制了其快速的产能扩张。
[0003]与常规的无机电极材料相比，有机电极的原料(C,H,O,S等)来源于成熟的工业体系，成本较低，且种类繁多、稳定性较好等，成为电池材料领域新的研究发展方向之一。
[0004]目前常见的有机电极材料主要有以下几种：一、导电有机高分子正极材料；二、有机硫化物正极材料；三、含氧共轭有机物正极材料。其中单一态的导电有机高分子材料存在许多缺陷，反应过程中需要大量电解液，导电性一般较差，需要掺杂大量的导电剂，从而导致容量低下。有机硫化物正极材料是将S
‑
S键引入有机物分子结构中，可以明显提高电极的电化学活性。但是有机硫化物普遍存在易溶解的特性，导电性差，室温下性能不理想。含氧共轭有机物因为能量密度高、反应动力学快等优势受到人们的广泛关注。以蒽醌、共轭酸酐为代表的羰基化合物成为新的研究热点。但是，这些有机电极材料循环性能较差，距离商业化应用较远。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的存在有机电极材料循环性能较差的缺陷，从而提供一种有机电极材料及其中间体、正极片和电池。
[0006]本专利技术提供了一种有机电极材料的中间体，所述中间体具有式(I)所示的结构：
[0007][0008]其中，环A为芳基或者杂芳基，R1氢，或者未取代或取代的烷基；R2为卤素或者羟基；m为0
‑
3的整数；n为1
‑
20的整数。
[0009]进一步地，所述中间体满足如下(1)
‑
(5)中的至少一项：
[0010](1)所述环A为C6
‑
C30的芳基或者C5
‑
C25的杂芳基，优选为苯环、三联苯环、蒽环、菲环、呋喃、吡咯、吲哚、吡啶或者芘环；
[0011](2)R1为氢、C1
‑
C6的烷基，优选为甲基、乙基或正丙基；
[0012](3)n为1
‑
8的整数，优选为1
‑
4整数；
[0013](4)所述R2为氯、羟基或者溴。
[0014]进一步地，所述环A为芘环，R1为甲基，n为4，m为0。
[0015]进一步地，所述中间体选自如下结构：
[0016]或者
[0017]本专利技术还提供了一种上述任一所述的有机电极材料的中间体的制备方法，取与Cl
‑
SO3R1反应，制得式(I)所示的中间体，其中环A、R1、R2、m和n如本专利技术任一项所定义。
[0018]进一步地，所述反应温度为20
‑
60℃，优选为40
‑
60℃。
[0019]反应时间至少为10h，例如可以为18
‑
25h。
[0020]其中，与Cl
‑
SO3R1的体积比为0.7
‑
0.9：1。
[0021]将溶于常规碱性有机溶剂(例如吡啶)中，加入Cl
‑
SO3R1反应。
[0022]本专利技术还提供了一种有机电极材料，所述有机电极材料具有式(II)所示的结构：
[0023]M为碱金属；环A、R1、R2、m和n如上述任一项所定义。
[0024]优选地，所述有机电极材料具有如下所示的结构：
[0025]或
者
[0026]本专利技术还提供了一种有机电极材料的制备方法，包括，取式(I)所示的中间体与碱金属盐反应制得，优选地，所述制备方法还满足如下1)
‑
2)中的至少一项：
[0027]1)所述碱金属盐为锂盐或者钠盐；优选地，所述碱金属盐选自氢化锂、甲基锂、碳酸锂、醋酸锂、甲醇钠或者氢化钠；
[0028]2)中间体与碱金属盐反应之后还包括在反应液中加入冰醋酸和四乙酸铅反应的步骤。
[0029]具体的，将式(I)所示的中间体溶于碱性有机溶剂(例如二甲基甲酰胺)中，加入碱金属盐反应，即得。
[0030]反应时间至少为5h，例如可以为10
‑
25h。
[0031]本专利技术还包括采用常规的方法对目标产物进行纯化，例如过滤，收集固体后洗涤，干燥。
[0032]烘干温度为180
‑
220℃，时间为1
‑
2小时。
[0033]中间体的质量与碱金属盐的质量比为500：10
‑
500。
[0034]本专利技术还提供了一种正极片，包括集流体和附着于集流体表面的正极材料，所述正极材料包括上述所述的有机电极材料或者上述所述的制备方法制得的有机正极材料，优选地，有机正极材料占正极材料总质量的比例为40％～95％。
[0035]本专利技术还提供了一种电池，包括所述的正极片。
[0036]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0037]1.本专利技术提供的有机电极材料的中间体和有机电极材料，采用式(I)结构的中间体与碱金属形成的式(II)结构的有机电极材料，该有机电极材料因具有n个被
‑
NHSO2R1基团所取代的芳基或者杂芳基的结构，且氨基与碱金属离子结合使得该有机电极材料具有明显提高的放电容量，而且循环性能明显提高。
[0038]2.本专利技术提供的有机电极材料中间体的制备方法，通过控制所述反应温度为20
‑
60℃，尤其是是在温度25
‑
30℃下反应，可以使用简单的磺化反应获得中间体，适合大规模生产。
[0039]3.本专利技术提供的有机电极材料的制备方法，相比于其他锂盐或者钠盐，采用氢化锂或者氢化钠，产率可达80％以上，且无须苛刻的合成条件。
[0040]4.本专利技术提供的有机电极材料，可以是含锂有机正极材料或者含钠有机正极材料，两者均具有高容量，可以兼容现有的锂离子电池和钠离子电池工业体系，且材料对水分和氧气不敏感，大大降低生产成本，尤其是锂离子电池电芯成本低于0.2元/Wh，可以短期内实现商业化应用。此外，电极本身具有高的循环稳定性(含锂有机正极材料>1000圈@80％，含钠有机正极材料>800圈@80％)和较高的电压区间(3
‑
3.5V)，在低速动力电池市本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机电极材料的中间体，其特征在于，所述中间体具有式(I)所示的结构：其中环A为芳基或者杂芳基，R1为氢，或者未取代或取代的烷基，R2为卤素或者羟基；m为0
‑
3的整数；n为1
‑
20的整数。2.根据权利要求1所述的有机电极材料的中间体，其特征在于，所述中间体满足如下(1)
‑
(4)中的至少一项：(1)所述环A为C6
‑
C30的芳基或者C5
‑
C25的杂芳基，优选为苯环、三联苯环、蒽环、菲环、呋喃、吡咯、吲哚、吡啶或者芘环；(2)R1为氢、C1
‑
C6的烷基，优选为甲基、乙基或正丙基；(3)n为1
‑
8的整数，优选为1
‑
4的整数；(4)所述R2为氯、羟基或者溴。3.根据权利要求1所述的有机电极材料的中间体，其特征在于，所述中间体具体如下结构：4.一种权利要求1
‑
3中任一所述的有机电极材料的中间体的制备方法，其特征在于，取与Cl
‑
SO3R1反应，制得式(I)所示的中间体，其中环A、R1、R2、m和n如权利要求1
‑
3任一项所定义。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足如下A
‑
C中的至少一项：A、所述反应温度为20
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：沈晓帆，郑军华，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：