[发明专利]聚吡咯‑3‑甲酸及其作为锂离子电池正极材料的应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及聚吡咯-3-甲酸及其作为锂离子电池正极材料的应用。

(二)技术背景

20世纪，人类依靠化石能源使全球经济得到了飞速发展，直到现在，化石等不可再生能源依然占到全球能源构成的80％。然而，大量不可再生能源的使用，使得未来的能源安全充满了诸多不确定因素。同时不合理的能源结构也造成了全球环境污染，生态破坏等问题。可以说，开发新能源，改变传统的能源结构已经是迫在眉睫了。而电能由于清洁、安全且便利等特点愈发显示出其优越性，也越来越受到人们的青睐。因此，能将化学能直接转变成电能的化学电源，也随之引起了人们的广泛关注。而便携式电子设备的飞速发展则迫使化学电源朝着轻型、小型、长使用寿命型发展。这也催生了具有高能量密度、灵巧轻便、循环使用寿命长的锂离子电池产业的产生和发展。锂离子电池由于其良好的能量存储和输出特性，已成为纯电动汽车储能设备的首选电源。但是，锂离子电池的正极材料通常比负极材料具有较低的比容量，因此正极材料的选用是影响锂电池性能的关键因素。

近些年来，研究者们主要将目光集中在无机过渡金属氧化物(例如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄、V₂O₅等)上，但是，这些过渡金属氧化物作为正极材料时有很多缺点，如：成本高，矿物资源有限，生产过程中能量需求高以及会产生CO₂等等，这些缺点限制了其在锂离子电池正极材料中的广泛应用。然而有机导电高分子作为正极材料，不仅可以避免上述无机材料的缺点还具有理论比容量高，容易制备，分子结构的灵活设计性等优点。目前已经报道的有机导电高分子作为正极材料的有：有机硫聚合物，聚吡咯，TEMPO自由基聚合物，聚苯胺衍生物类。这些类型的有机导电高分子正极材料的使用使锂离子电池的性能得到了提高。

(三)发明内容

本发明的目的是解决无机化合物作为正极材料所具有的成本高，矿物资源有限，生产过程中能量要求高以及会产生CO₂等等缺点而提出具有良好电化学性能及稳定性的锂离子电池正极材料，即由聚合吡咯衍生物得到的导电高分子材料作为正极材料。

本发明采用的吡咯衍生物是吡咯-3-甲酸(简称P3C)，将该单体进行聚合，将聚合得到的聚吡咯-3-甲酸(简称PP3C)作为锂离子电池正极材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种如式(I)所示的聚吡咯-3-甲酸，所述的聚吡咯-3-甲酸按如下方法制备得到：

将吡咯-3-甲酸溶于四氯化碳中得到吡咯-3-甲酸溶液，将FeCl₃溶于硝基甲烷中得到FeCl₃溶液，将所得FeCl₃溶液滴加到吡咯-3-甲酸溶液中，于-10～0℃，N₂保护的条件下反应20～24h，之后反应液经抽滤，滤饼用去离子水、乙醇洗涤，置于烘箱中于60～70℃真空干燥10～12h，即得聚吡咯-3-甲酸；

所述四氯化碳的体积用量以吡咯-3-甲酸的质量计为70～80mL/g；所述硝基甲烷的体积用量以FeCl₃的质量计为20～25mL/g；所述吡咯-3-甲酸与FeCl₃的物质的量之比为1：2.9～3.0；

式(I)中，n为100～1000的整数。

本发明还提供了聚吡咯-3-甲酸作为锂离子电池正极材料的应用。

进一步，本发明还提供了聚吡咯-3-甲酸作为锂离子电池正极材料在组装锂离子电池中的应用。

所述组装锂离子电池的方法为：

(1)制备正极极片：将聚吡咯-3-甲酸研磨至300～400目的粉末，然后将聚吡咯-3-甲酸粉末与乙炔黑、PVDF混合，滴加N-甲基吡咯烷酮，搅拌形成正极浆料，将所得正极浆料涂布在铝箔上，然后将涂布有正极浆料的铝箔置于60～70℃恒温烘箱中真空干燥10～12h，即得正极极片；

所述聚吡咯-3-甲酸粉末与乙炔黑、PVDF的质量比为50：40：10；所述N-甲基吡咯烷酮的体积用量以聚吡咯-3-甲酸粉末的质量计为20mL/g；所述正极浆料在铝箔上的涂布厚度为90μm；