【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钾离子二次电池材料，尤其涉及一种高性能有机负极材料、制备方法及钾离子电池负极和钾离子电池。
技术介绍
1、目前商用的锂离子电池由于锂资源的稀缺性和储量分布不均衡等问题，带来较高的生产成本，限制了其在规模储能体系中的实际应用。钾元素与锂元素处于同一主族，具有相似的物理、化学性质。研究表明基于钾离子传输的电池体系与锂离子电池具有相同的“摇椅式”工作原理，并且钾的标准电势（ek+/k=-2.93 v, vs. she）与锂的标准电势（eli+/li=-3.02 v, vs. she）相近，有望成为传统锂离子电池的理想替代品。此外，相比于锂，钾资源在地壳中储量丰富、分布广泛，由此带来相对低廉的生产成本。因此，钾离子电池在储能领域中具有极大的发展潜力。
2、然而，钾离子电池仍然面临着一些挑战，阻碍其进一步的发展。首先，由于钾离子半径较大，导致其在充/放电过程中的体积膨胀比其他碱金属离子电池更为严重，从而易造成电极材料的结构破坏，对电池的循环稳定性产生不利影响。这一情况在具有刚性结构的无机材料中尤为明显。其次，钾离子电池中的大部分无机电极材料如普鲁士蓝、石墨，在生产回收过程中会消耗大量的能源同时对环境造成污染。与无机材料相比，有机材料具有多种优点，例如有机化合物空间构型多样、电化学活性位点可调控、柔性结构、易于制备以及环境友好等。在众多有机电极材料中，有机物小分子材料由于其合成简单，价格低廉从而受到广泛关注。然而由于有机小分子电极材料自身的高溶解度与低电导率会带来较差的循环稳定性与倍率性能。目前常见的优化方法之一是
3、在众多的有机小分子中，ptcdi具有合成方法简单、生产成本低、官能团丰富的优点，因此可作为潜在的钾离子二次电池电极材料。但是，由于其较小的相对分子质量以及低的共轭程度导致其在有机钾离子二次电池中面临着高溶解性以及低电导率的困扰，从而导致较差的循环性能与倍率性能，限制其规模化应用。因此，利用分子结构优化法基于ptcdi开发出一种易于合成、价格低廉、电化学性能优异的新型有机小分子电极材料对于推动钾离子电池的进一步发展有着重大意义。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高性能有机负极材料、制备方法及钾离子电池负极和钾离子电池，解决目前钾离子电池中有机小分子负极材料离子电导率低且易溶于有机电解液而导致钾离子电池循环性能和倍率性能较差的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术通过如下技术方案实现：
3、第一方面，本专利技术提供一种高性能有机负极材料，该高性能有机负极材料的结构式如下：
4、。
5、优选的，上述高性能有机负极材料是由n,n'-二(十一烷基)-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺依次通过still偶联反应、光环化反应和高温煅烧制备得到。
6、第二方面，本专利技术提供一种高性能有机负极材料的制备方法，包括以下步骤：
7、（1）将n,n'-二(十一烷基)-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺（化合物1）、反式-1,2-双(三正丁基锡)乙烯和催化剂加入溶剂中，在惰性气氛下进行回流反应，得到化合物2，反应式如下：
8、；
9、（2）将化合物2于有机溶剂中溶解后加入碘，然后对溶液进行光照，通过光环化反应得到化合物pdi2，反应式如下；
10、；
11、（3）将化合物pdi2在真空条件下进行高温煅烧，得到高性能有机负极材料ptcdi2，反应式如下：
12、。
13、优选的，步骤（1）中催化剂为钯类催化剂，溶剂为甲苯；反应结束后还包括使用硅藻土过滤反应液得到黑色反应混合物，之后使用中性氧化铝柱层析进行纯化，得到纯化后的化合物2。
14、优选的，步骤（2）中有机溶剂为苯，使用450~500 w高压汞灯对溶液进行光照，照射时长为36~40 h；反应结束后还包括使用饱和碳酸氢钠溶液和盐水洗涤反应混合物，之后依次进行萃取、浓缩、柱层析，得到纯化后的化合物pdi2。
15、优选的，步骤（3）中高温煅烧的温度为400~450 ℃，煅烧时间为3~3.5 h。
16、第三方面，本专利技术提供一种钾离子电池负极，包括上述高性能有机负极材料、导电碳材料和交联剂。
17、优选的，导电碳材料为导电炭黑，交联剂为聚偏氟乙烯；高性能有机负极材料、导电碳材料、交联剂的质量比为7:2:1。
18、第四方面，本专利技术提供一种钾离子电池，包括上述的钾离子电池负极、正极、隔膜和电解液。
19、优选的，正极为金属钾片，隔膜为玻璃纤维隔膜，电解液为六氟磷酸钾的乙二醇二甲醚溶液。进一步优选的，电解液中六氟磷酸钾的浓度为1 mol/l。
20、本专利技术的有益效果是：
21、1.本专利技术提供了一种新型有机小分子负极材料ptcdi2，与ptcdi相比，通过苯环桥联的ptcdi2增加了相对分子质量，可以有效地降低其在有机电解液中的溶解度，进而提高材料的循环稳定性；同时，增大了分子共轭程度，扩大共轭体系主要有以下几个优势：首先，电荷不仅可以在较大的共轭体系内离域，也可以在相邻分子间离域，从而提高了充电/放电状态的稳定性；其次，离域可以增强分子内和分子间的相互作用，从而有利于电荷转移；最后，分子间相互作用的增强会促进层状结构的形成，有利于形成快速的离子输运通道。因此，与ptcdi化合物相比，本专利技术提供的ptcdi2化合物具有更加优异的循环性能和倍率性能。
22、2.本专利技术以n,n'-二(十一烷基)-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺为原料，依次通过still偶联反应、光环化反应和高温煅烧的合成方法，得到最终产物ptcdi2，合成方法简单，产率高。ptcdi2化合物作为钾离子电池有机负极材料表现出更高的比容量、更加优异的倍率性能和循环性能，电化学性能表现明显优于ptcdi化合物。
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1.一种高性能有机负极材料，其特征在于，所述高性能有机负极材料的结构式如下：
2.根据权利要求1所述的高性能有机负极材料，其特征在于，所述高性能有机负极材料是由N,N’-二(十一烷基)-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺依次通过still偶联反应、光环化反应和高温煅烧制备得到。
3.一种如权利要求1或2所述的高性能有机负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的高性能有机负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述催化剂为钯类催化剂，所述溶剂为甲苯；反应结束后还包括使用硅藻土过滤反应液得到黑色反应混合物，之后使用中性氧化铝柱层析进行纯化，得到纯化后的化合物2。
5. 根据权利要求3所述的高性能有机负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述有机溶剂为苯，使用450~500 W高压汞灯对溶液进行光照，照射时长为36~40 h；反应结束后还包括使用饱和碳酸氢钠溶液和盐水洗涤反应混合物，之后依次进行萃取、浓缩、柱层析，得到纯化后的化合物PDI2。
6. 根据权利要求3所述的高性能有机负极材料的
7.一种钾离子电池负极，其特征在于，包括权利要求1所述的高性能有机负极材料、导电碳材料和交联剂。
8.根据权利要求7所述的钾离子电池负极，其特征在于，所述导电碳材料为导电炭黑，交联剂为聚偏氟乙烯；所述高性能有机负极材料、导电碳材料、交联剂的质量比为7:2:1。
9.一种钾离子电池，其特征在于，包括权利要求7所述的钾离子电池负极、正极、隔膜和电解液。
10.根据权利要求9所述的钾离子电池，其特征在于，所述正极为金属钾片，所述隔膜为玻璃纤维隔膜，所述电解液为六氟磷酸钾的乙二醇二甲醚溶液。
...【技术特征摘要】
1.一种高性能有机负极材料，其特征在于，所述高性能有机负极材料的结构式如下：
2.根据权利要求1所述的高性能有机负极材料，其特征在于，所述高性能有机负极材料是由n,n’-二(十一烷基)-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺依次通过still偶联反应、光环化反应和高温煅烧制备得到。
3.一种如权利要求1或2所述的高性能有机负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的高性能有机负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述催化剂为钯类催化剂，所述溶剂为甲苯；反应结束后还包括使用硅藻土过滤反应液得到黑色反应混合物，之后使用中性氧化铝柱层析进行纯化，得到纯化后的化合物2。
5. 根据权利要求3所述的高性能有机负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述有机溶剂为苯，使用450~500 w高压汞灯对溶液进行光照，照射时长为36~40 h；...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏建龙，程梦元，王东雪，吴迪，邵光伟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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