一种用于水系电池的新型负极材料、水系电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电池材料技术领域，特别涉及一种用于水系电池的新型负极材料，包括新型类吩嗪材料，所述新型类吩嗪材料为吡嗪并[2,3

【技术实现步骤摘要】
一种用于水系电池的新型负极材料、水系电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池材料
，特别涉及一种用于水系电池的新型负极材料、水系电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，可再生能源的不断发展对储能器件的性能提出了更高的要求，电池作为目前最可靠的电化学储能系统之一，有希望应用于大规模能量存储当中。目前使用的锂离子电池虽然具有放电能力强，循环寿命长，容量密度大等优点，已经广泛应用于电动汽车、智能手机、手提电脑等领域，但是内含有易燃的有机溶剂，安全隐患较大。
[0003]水系电池由于电极材料价格低廉、来源广泛、无毒无害，引起人们的广泛关注。该类电池的最大特点就是使用水系电解液，与使用有机电解质的电池相比，水溶液电解质离子的扩散快，因此，极板不需要做得很薄，制造工艺也更简单，有利于降低成本；水溶液电解质比有机电解质具有更好的离子迁移率。更重要的是，所用水溶液电解质材料无毒，安全性更高，废电池回收处理简单。目前水系电池负极材料由于能量密度低和电极材料在水溶液中稳定性差限制了它的发展。鉴于此，需要开发一种简单、廉价、安全、比容量高的新型水系负极材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于一种用于水系电池的新型负极材料、水系电池及其制备方法，克服现有技术存在的不足与缺陷。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于水系电池的新型负极材料，包括新型类吩嗪材料，所述新型类吩嗪材料为吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪或喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉，具有下式结构：
[0006][0007]其中结构一化学名是吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪，结构二化学名是喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉。
[0008]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料中，所述吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪的合成方法包括：将2,3
‑
二氨基吡嗪和乙二醛水溶液进行反应，加热回流，冷却过滤，滤饼用水重结晶，得到吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪；合成反应如下：
[0009][0010]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料中，所述反应溶剂为水，所述反应温度为70～110℃，反应时间为10～25min；2,3
‑
二氨基吡嗪和乙二醛的物质的量之比为1:3.5
～4.5，乙二醛水溶液质量分数为40％～55％。
[0011]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料中，所述喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉的合成方法包括以下步骤：
[0012]1)邻苯二胺和2，3
‑
二氯喹喔啉加热回流，冷却至室温后，将反应液倒入大量水中；过滤重结晶，得到黄色固体5,11
‑
二氢
‑
5,6,11,12
‑
四氮杂萘；
[0013]2)将5,11
‑
二氢
‑
5,6,11,12
‑
四氮杂萘和PbO2回流加热，冷却过滤，滤饼在CH3CN中重结晶，得到喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉；
[0014]合成反应如下：
[0015][0016]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料中，所述步骤1)中，反应溶剂为乙二醇，反应温度为180～210℃，反应时间为2～4h，邻苯二胺和2，3
‑
二氯喹喔啉的物质的量之比为2:1～1.2；
[0017]所述步骤2)中，反应溶剂为三氯甲烷，反应温度为50～70℃，反应时间为20～30h，5,11
‑
二氢
‑
5,6,11,12
‑
四氮杂萘和PbO2物质的量之比是1:14～16。
[0018]本专利技术还提供了一种上述用于水系电池的新型负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019](1)将新型类吩嗪材料溶解于盐酸溶液中，加入导电剂，在转速1000rpm搅拌下0.1～1h，将该混合体系超声处理20～40min，转入真空条件下静置保持20～40min，以0.01～0.25ml/min的速率向混合体系中加入NaOH溶液；过滤、洗涤，冷冻干燥，得到纳米化类吩嗪/导电剂复合材料；
[0020](2)纳米化类吩嗪/导电剂复合材料研磨15～30min，将其压在两层泡沫镍之间，再进行辊压，得到基片；
[0021](3)将粘结剂滴加到辊压后的基片上，干燥，获得用于水系电池的新型负极材料。
[0022]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料的制备方法中，步骤(1)中，所述导电剂为具有多孔结构的Super P、碳纳米管、乙炔黑中的一种或多种；
[0023]超声功率是40kHz；
[0024]新型类吩嗪材料与导电剂质量比为7～9.5:0.5～3；
[0025]新型类吩嗪材料与盐酸的物质的量比为1:200～300；
[0026]盐酸与氢氧化钠的物质的量比为1:1.2～1.3，滴加速率为0.01～0.25ml/min，控制氢氧化钠溶液的滴加速率使盐酸溶液中的吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪缓慢析出并以纳米尺寸均匀沉积在多孔结构。
[0027]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料的制备方法中，所述步骤(2)中，辊
压的压密为1.3～1.5g/cm3。
[0028]优选的，上述的用于水系电池的新型负极材料的制备方法中，所述步骤(3)中，纳米化类吩嗪/导电剂复合材料与粘结剂的质量比为90～95:5～10，粘结剂为在碱性环境下稳定存在且不与电极材料参加反应的物质。
[0029]一种水系电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述负极为上述的制备方法制得的水系电池的新型负极材料。
[0030]优选的，上述的水系电池中，所述正极材料为氢氧化镍或活性炭，所述隔膜采用硬质玻璃纤维，所述电解液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
[0031]优选的，上述的水系电池中，所述电解液的摩尔浓度为5～7mol/L。
[0032]优选的，上述的水系电池中，组装方式为中间采用隔膜包覆的负极材料，上下两层用正极固定，组合成三明治式的极组。
[0033]与现有的技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0034]1.本专利技术的用于水系电池的新型负极材料，用作水性电池的负极材料，其比容量可达905mAh g
‑1和590mAh g
‑1左右，远高于吩嗪电极材料的比容量，具有高的比容量，同时循环稳定性好，具有长循环能力。负极活性物质新型类吩嗪材料具有高安全无污染易合成，原料资源丰富，价格便宜。
[0035]2.本专利技术的用于水系电池的新型负极材料的制备方法中，采用辊压方式可以使新型类吩嗪材料/导电剂复合材料与泡沫镍结合很牢固，有效避免掉粉现象；制备工艺简单、成本低、能耗低。
附图说明
[0036]图1为本专利技术实施例1制备得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于水系电池的新型负极材料，其特征在于，包括新型类吩嗪材料，所述新型类吩嗪材料具有下式结构：其中，结构一为吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪，结构二为喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉。2.根据权利要求1所述的用于水系电池的新型负极材料，其特征在于，所述吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪的合成方法包括：将2,3
‑
二氨基吡嗪和乙二醛水溶液进行反应，加热回流，冷却过滤，滤饼用水重结晶，得到吡嗪并[2,3
‑
b]吡嗪；合成反应如下：3.根据权利要求2所述的用于水系电池的新型负极材料，其特征在于，所述反应溶剂为水，所述反应温度为70～110℃，反应时间为10～25min；2,3
‑
二氨基吡嗪和乙二醛的物质的量之比为1:3.5～4.5，乙二醛水溶液质量百分数为40％～55％。4.根据权利要求1所述的用于水系电池的新型负极材料，其特征在于，所述喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉的合成方法包括以下步骤：1)邻苯二胺和2，3
‑
二氯喹喔啉加热回流，冷却至室温后，将反应液倒入大量水中；过滤重结晶，得到黄色固体5,11
‑
二氢
‑
5,6,11,12
‑
四氮杂萘；2)将5,11
‑
二氢
‑
5,6,11,12
‑
四氮杂萘和PbO2回流加热，冷却过滤，滤饼在CH3CN中重结晶，得到喹喔啉[2,3
‑
b]喹喔啉；合成反应如下：合成反应如下：5.根据权利要求4所述的用于水系电池的新型负极材料，其特征在于，所述步骤1)中，反应溶剂为乙二醇，反应温度为180～210℃，反应时间为2～4h，邻苯二胺和2，3
‑
二氯喹喔啉的物质的量之比为2:1～1.2；所述步骤2)中，反应溶剂为三氯甲烷，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐彬，高翔，梁沁沁，和庆钢，李建新，谢健，喻敏，韩方源，张龙飞，罗宗昌，樊雄伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：