一种含吡嗪-苯醌结构的聚合物及其在锂离子/水系锌离子电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种含吡嗪

【技术实现步骤摘要】
一种含吡嗪
‑
苯醌结构的聚合物及其在锂离子/水系锌离子电池中的应用


[0001]本专利技术涉及一种含吡嗪
‑
苯醌结构的聚合物及其在锂离子/水系锌离子电池中的应用，属于金属离子电池电极材料领域。

技术介绍

[0002]由于全球能源使用量的稳步增长和向可再生能源的转变，需要创新的能源存储解决方案，人们对各种电池技术的发展越来越感兴趣，为了满足能量存储的需求，需要提高能量密度、稳定性和安全性。LIBs作为极具发展前景的储能技术，其具备零记忆效应、高能量密度以及低自放电等优势而且综合性能优良，使其成为了极为理想的能源储能技术。进而使得自然资源(如镍、钴、锰等矿物)过度消耗，造成资源的枯竭和环境的污染，限制了二次电池的发展。亟待开发新型高容量、低成本、高稳定性和绿色安全的电极材料。
[0003]与传统的无机材料相比，有机电极材料由含量丰富的元素(C、H、O、N和S)组成，具有高度的结构可设计性和较低的环境污染和毒性，可以通过更环保的程序生产，且仅需要更低能耗的回收过程。有机电极材料在氧化还原过程中发生化学键重排，可以有效避免较大的结构变化，加快了反应动力学，有利于提高结构稳定性和电化学性能，成为极具前景的活性电极材料。
[0004]然而，多数有机电极材料及其中间产物或者充放电产物极易溶于电解液，且有机电极材料导电率过低，造成有机电极材料较低的循环稳定性和较差的循环寿命。研究发现，共轭结构有利于增强分子间的相互作用，从而加快电荷的转移，提高导电性；π共轭体系有利于改善有机材料的微观结构如形成片层结构，有望形成快速的离子通道；同时形成的聚合物长链也有效降低了活性材料在电解液中的溶解度。其次，有机聚合物分子结构具有一定柔性，并且在氧化还原过程中仅伴随化学键的重排，有效地避免了较大的结构变化。从而获得高可逆容量以及长循环寿命的有机电极材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述现有技术所存在的问题，提供了一种含吡嗪
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苯醌结构的聚合物及其在锂离子/水系锌离子电池中的应用，旨在提供含有多活性共轭有机聚合物电极材料，以实现高可逆容量以及循环稳定性等优异的电化学性能。
[0006]本专利技术含吡嗪
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苯醌结构的聚合物，其结构通式如下所示：
[0007][0008]本专利技术含吡嗪
‑
苯醌结构的聚合物的合成方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：称取2,3,5,6
‑
四氨基对苯醌和芘
‑
4,5,9,10
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四酮加入到含有5.0ml的N
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甲基吡咯烷酮的厚壁反应管中，在常温和N2氛围的条件下，持续搅拌30min，随后将反应管在80℃反应15h以上，然后升温至130℃反应10h后出现黑色固体。
[0010]步骤2：停止反应并冷却至室温，再次向反应管中加入芘
‑
4,5,9,10
‑
四酮，然后180℃反应5h，充分反应后生成大量的黑色固体；反应结束后冷却至室温，通过离心收集黑色固体，用四氢呋喃进行多次离心洗涤，最后真空干燥得到黑色固体。
[0011]步骤3：采用索氏提取的方式进行纯化，以有机溶剂进行提取，直至溶剂无色，洗涤完成，最后在140℃真空干燥20h得到最终产物，即为芘酮
‑
苯醌聚合物。
[0012]步骤1中，芘
‑
4,5,9,10
‑
四酮和2,3,5,6
‑
四氨基对苯醌的投料摩尔比为1.05～1.15:1。
[0013]步骤2中，再次加入芘
‑
4,5,9,10
‑
四酮的摩尔量与步骤1中芘
‑
4,5,9,10
‑
四酮摩尔量之比为0.05:1。
[0014]步骤3中，分别采用有机溶剂二氯甲烷提取(50
‑
60℃提取至少四小时)和四氢呋喃溶剂提取(70
‑
80℃提取至少五小时)至母液无色。
[0015]反应路线如下所示：
[0016][0017]本专利技术含吡嗪
‑
苯醌结构的聚合物的应用，是以所述含吡嗪
‑
苯醌结构的聚合物作为金属锂离子电池或水系锌离子电池的正极材料。
[0018]具体地，以含吡嗪
‑
苯醌结构的聚合物为活性材料，与粘结剂和导电剂一起置于有机溶剂中混合，涂覆于铝箔或钛箔上，在80℃
‑
100℃真空干燥12h以上，裁剪制备正极电极片；以金属锂或锌为负极、隔膜、加入电解液，组装锂离子/水系锌离子电池。
[0019]本专利技术的有益效果体现在：
[0020]本专利技术芘酮
‑
苯醌聚合物电极材料的合成方法简单，并且具有多活性位点(C＝N、C＝O)，保证了较高的循环容量；而且共轭结构有利于增强分子间的相互作用，从而加快电荷的转移，提高导电性；π共轭体系有利于改善有机材料的微观结构如形成片层结构，有望形成快速的离子通道；同时形成的聚合物长链也有效降低了活性材料在电解液中的溶解度。其次，有机聚合物分子结构具有一定柔性，并且在氧化还原过程中仅伴随化学键的重排，有效地避免了较大的结构变化。从而有机聚合物电极材料可能实现较高的能量密度，倍率性能以及优异的循环稳定性。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物的扫描照片；
[0022]图2为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物的透射照片；
[0023]图3为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物的热重曲线；
[0024]图4为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物和原料的红外谱图；
[0025]图5为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物作为锂离子电池正极材料时扫速为0.1mVs
‑1的CV图；
[0026]图6为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物在电流密度为0.2Ag
‑1时的锂离子电池充放电曲线图；
[0027]图7为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物在电流密度为0.2Ag
‑1时的锂离子电池循环性能图；
[0028]图8为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物在不同电流密度下的锂离子电池倍率性能图；
[0029]图9为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物在电流密度为5.0Ag
‑1时的锂离子电池长循环性能图；
[0030]图10为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物在电流密度为0.1Ag
‑1时的锌离子电池充放电曲线；
[0031]图11为本专利技术实施例1所述芘酮
‑
苯醌聚合物在电流密度为0.1Ag
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含吡嗪
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苯醌结构的聚合物，其特征在于其结构如下所示：2.一种权利要求1所述的含吡嗪
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苯醌结构的聚合物的合成方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：称取2,3,5,6
‑
四氨基对苯醌和芘
‑
4,5,9,10
‑
四酮加入到含有N
‑
甲基吡咯烷酮的厚壁反应管中，在常温和N2氛围的条件下，持续搅拌30min，随后将反应管在80℃反应15h以上，然后升温至130℃反应10h后出现黑色固体；步骤2：停止反应并冷却至室温，再次向反应管中加入芘
‑
4,5,9,10
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四酮，180℃下反应5h，充分反应后生成大量的黑色固体；反应结束后冷却至室温，通过离心收集黑色固体，用四氢呋喃离心洗涤，真空干燥得到黑色固体；步骤3：采用索氏提取的方式进行纯化，以有机溶剂进行提取，直至溶剂无色，洗涤完成，最后在140℃真空干燥20h得到最终产物，即为芘酮
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苯醌聚合物。3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于：步骤1中，芘
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【专利技术属性】
技术研发人员：张朝峰，马权伟，康红卫，张龙海，王睿，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：