一种基于小分子有机物的复合正极材料及其制造方法技术

本发明专利技术涉及新能源材料技术领域，公开了一种基于小分子有机物的复合正极材料及其制造方法，该复合正极材料包括复合活性材料、复配粘结剂和导电剂乙炔黑，其中复合活性材料由负载铁纳米晶的多孔碳材料与小分子有机物茜素红组成；复配粘结剂为木质素磺酸钠和聚乙烯醇的交联混合物，利用铁纳米晶和氮元素掺杂，可有效增强多孔碳材料的电化学活性，同时将茜素红固定在多孔碳的孔隙中，进一步增强多孔碳材料的比容量；此外，本发明专利技术制备的复配粘结剂粘结强度较高，可使用少量复配粘结剂实现复合活性材料与集流体之间的粘结，充分利用多孔碳材料的性能，结合复合活性材料与复配粘结剂的优势，可制备出性能优异的钠离子电池正极材料。可制备出性能优异的钠离子电池正极材料。可制备出性能优异的钠离子电池正极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小分子有机物的复合正极材料及其制造方法


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种基于小分子有机物的复合正极材料及其制造方法。

技术介绍

[0002]化石能源的存在对人类文明的发展起到了巨大的推动作用，但是近年来化石能源的加剧使用导致的环境问题逐渐凸显，同时化石能源的剧烈消耗也引发了一系列能源危机，因此，大力发展电能等清洁能源逐渐成为大势所趋。开发先进的储能设备是大力发展电能的前提，在这种时代背景下，锂离子电池应运而生，并逐渐在手机、笔记本电脑等便捷电子设备以及电动汽车等领域应用广泛，但是锂元素地壳中含量少，价格高，不利于实际应用。钠离子电池与锂离子电池具有相似的结构和工作原理，而且钠的储量高，价格低，非常适合大规模普及应用，因此，相对于锂离子电池，钠离子电池会具有更大的市场优势。
[0003]钠离子电池正极材料是钠离子电池的重要组成部件，是决定钠离子电池性能的关键组成部分，目前主流的钠离子电池正极材料主要使用钴、镍、镁、锰等传统的金属基无机材料，如申请号为CN201910310881.X的中国专利技术专利，该专利公开了一种钠离子电池正极材料及其制备方法与应用，将可溶性铁源与可溶性锰源溶于水，搅匀，然后对进行喷雾热解，得到铁锰氧化物前驱体；再将球形铁锰氧化物前驱体与钠源进行研磨混合，最后进行烧结处理，得到类单晶Na
2/3
Fe
1/2
Mn
1/2
O2正极材料，该正极材料具有很高的放电比容量，可直接作为钠离子电池的正极材料，但是这些无机材料普遍制备工艺复杂，不仅能耗高，环境污染较为严重，而且还会在电池持续使用过程中产生体积膨胀问题，对钠离子电池的循环稳定性造成不利影响。
[0004]活性炭材料虽具有一定的导电性和结构稳定性，但是容量较低，难以直接作为正极材料应用在钠离子电池中，而茜素红等小分子有机物理论比容量较高，具有多电子反应特性，但是这些小分子有机物会溶解在电解液中，而且导电性不佳，实际上也会造成钠离子电池循环稳定性和倍率性能不佳的现象，综上所述，结合活性炭材料与有机小分子的优势，开发高容量、绿色环保的钠离子电池正极材料意义重大。
[0005]此外，目前钠离子电池的电极材料大多采用羧甲基纤维素钠为粘结剂，羧甲基纤维素钠的粘结强度较低，因此往往需要添加较多的量，才能将电极材料中的活性物质与集流体产生良好的粘结，但是较多的粘结剂会将活性物质完全包裹，导致活性物质的性能难以有效发挥，而且较低的粘结强度可能会导致电极材料中的活性物质在循环过程中脱落，导致电极材料循环稳定性不佳的问题。
[0006]基于此，本专利技术提供了一种复合正极材料，通过将小分子有机物与多孔碳材料复合，再制备一种具有高粘结强度的复配粘结剂，与导电乙炔黑进行混合，可直接作为钠离子电池的正极材料，并显示出优异的性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于小分子有机物的复合正极材料及其制造方法，解决了以下技术问题：
[0008]（1）解决了多孔碳材料容量较低的问题。
[0009]（2）解决了小分子有机物易溶解在电解液中，无法直接作为钠离子电池正极材料的问题。
[0010]（3）解决了常规正极材料用粘结剂粘结强度较低的问题。
[0011]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0012]一种基于小分子有机物的复合正极材料，所述复合正极材料包括以下重量份的原料：复合活性材料80
‑
90份、复配粘结剂5
‑
10份、导电剂乙炔黑5
‑
10份；所述复合活性材料由负载铁纳米晶的多孔碳材料与小分子有机物茜素红组成；所述复配粘结剂为木质素磺酸钠和聚乙烯醇的交联混合物。
[0013]进一步地，所述复合活性材料的制备方法包括以下步骤：
[0014]步骤一：将六水合硝酸铁溶于水中，形成溶液
①
，再将2
‑
甲基咪唑
‑
4,5
‑
二羧酸溶于纯水中，形成溶液
②
，在搅拌条件下，将溶液
②
加入至溶液
①
中，转移至反应釜中，100
‑
120℃保温4
‑
12h后，离心分离固体物料，水洗，真空干燥，得铁
‑
金属有机框架；
[0015]步骤二：将铁
‑
金属有机框架放置于管式炉中进行碳化，使用纯水和乙醇清洗碳化产物，真空干燥，得负载铁纳米晶的多孔碳材料；
[0016]步骤三：将负载铁纳米晶的多孔碳材料与茜素红充分研磨混合，转移至反应釜中，在290
‑
300℃的温度条件下保温2
‑
4h，出料，得复合活性材料。
[0017]进一步地，步骤一中，所述六水合硝酸铁与2
‑
甲基咪唑
‑
4,5
‑
二羧酸的质量比为0.8
‑
1:1。
[0018]进一步地，步骤二中，所述碳化时，管式炉中的升温速率为2
‑
5℃/min，升温至600
‑
650℃，保温碳化2
‑
4h。
[0019]进一步地，步骤二中，所述负载铁纳米晶的多孔碳材料料与茜素红的质量比为1:1.5
‑
4。
[0020]通过上述技术方案，以六水合硝酸铁和2
‑
甲基咪唑
‑
4,5
‑
二羧酸为原料，在高温条件下构筑配位聚合物，形成铁
‑
金属有机框架，使用高温对其进行碳化，可形成具有微孔结构的负载铁纳米晶的氮掺杂多孔碳材料，将其与小分子有机物茜素红混合，在熔融条件下，小分子有机物茜素红可以流入负载铁纳米晶的多孔碳材料的孔径结构中，形成包覆茜素红的铁
‑
多孔碳复合活性材料。
[0021]进一步地，所述复配粘结剂的制备方法包括以下步骤：
[0022]第一步：将木质素磺酸钠于纯水混合，超声混匀，配置成质量分数为1
‑
2%的悬浮液，将聚乙烯醇投入悬浮液中，搅匀，得混合溶液；
[0023]第二步：向第一步制得的混合溶液中加入含硼交联剂，将体系置于60
‑
70℃的温度条件下，搅拌3
‑
6h，出料，得复配粘结剂。
[0024]进一步地，第一步中，所述木质素磺酸钠与聚乙烯醇的质量比为0.2
‑
0.5:1。
[0025]进一步地，第二步中，所述含硼交联剂为四硼酸钠，且四硼酸钠的加入量为木质素磺酸钠与聚乙烯醇总质量的1
‑
3%。
[0026]通过上述技术方案，四硼酸钠可以与羟基脱水缩合，因此可以以四硼酸钠为交联剂，使木质素磺酸钠与聚乙烯醇进行交联聚合，形成聚乙烯醇
‑
木质素磺酸钠复配粘结剂。
[0027]一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于小分子有机物的复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料包括以下重量份的原料：复合活性材料80
‑
90份、复配粘结剂5
‑
10份、导电剂乙炔黑5
‑
10份；所述复合活性材料由负载铁纳米晶的多孔碳材料与小分子有机物茜素红组成；所述复配粘结剂为木质素磺酸钠和聚乙烯醇的交联混合物。2.根据权利要求1所述的一种基于小分子有机物的复合正极材料，其特征在于，所述复合活性材料的制备方法包括以下步骤：步骤一：将六水合硝酸铁溶于纯水中，形成溶液
①
，再将2
‑
甲基咪唑
‑
4,5
‑
二羧酸溶于纯水中，形成溶液
②
，在搅拌条件下，将溶液
②
加入至溶液
①
中，转移至反应釜中，100
‑
120℃保温4
‑
12h后，离心分离固体物料，水洗，真空干燥，得铁
‑
金属有机框架；步骤二：将铁
‑
金属有机框架放置于管式炉中进行碳化，使用纯水和乙醇清洗碳化产物，真空干燥，得负载铁纳米晶的多孔碳材料；步骤三：将负载铁纳米晶的多孔碳材料与茜素红充分研磨混合，转移至反应釜中，在290
‑
300℃的温度条件下保温2
‑
4h，出料，得复合活性材料。3.根据权利要求2所述的一种基于小分子有机物的复合正极材料，其特征在于，步骤一中，所述六水合硝酸铁与2
‑
甲基咪唑
‑
4,5
‑
二羧...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹伟民，邹嘉逸，康书文，朱广山，黄宇彬，沈智，
申请(专利权)人：江苏智纬电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：