[发明专利]一种季铵盐掺杂氮氧自由基聚合物及其制备方法

说明书

一种季铵盐掺杂氮氧自由基聚合物及其制备方法，将通过自由基聚合法合成无规共聚物，调节自由基聚合物部分与掺杂部分的比例，季铵盐中N⁺基团的引入是控制电荷传输性质的常用方法，同时可以增加自由基聚合物的水溶性，改善自由基聚合物作为电学器件的电化学性质，本发明通过对氮氧自由基聚合物进行N⁺掺杂的优点在于可提高自由基聚合物的充放电速度和稳定性，提高自由基聚合物的使用寿命以及水溶性，开发出具有高能量密度的新型自由基聚合物。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，特别涉及一种季铵盐掺杂氮氧自由基聚合物及其制备方法。

背景技术

为使得太阳能，风能和水力发电等可再生能源在未来能得到有效利用，发掘灵活、可扩展的能源储存解决方案是必要的。目前二次电池主要以无机氧化物为电极材料的锂离子电池，考虑安全和成本以及能量密度和容量，特别是关于长期使用金属资源，这对锂离子提出了一定的限制作用，且面临资源与环境问题，亟需新型的替代品。自由基聚合物是一种含有稳定自由基的有机聚合物功能材料，其结构中的稳定自由基能够发生迅速、可逆的单电子氧化还原反应，在充放电循环的过程中具有优异的倍率性能及循环稳定性，且属于一种经济实惠，安全和可扩展的电池体系，其使用有机聚合物可作为电荷存储材料同时具有保留非金属性能以及运用廉价的透析膜作为电解质的氯化钠水溶液的优势。

目前报道的自由基聚合物体系正极的比容量尚未大幅超过现有无机金属氧化物，自由基聚合物的结构与电化学性能内在关系仍需研究，现有自由基聚合物作为电极材料氧化还原容量低，水溶性低，掺杂态不稳定，导致自由基聚合物电池自放电及可充电性能的下降。因此，研究自由基聚合物结构与电化学性质之间关系，开发具有环境友好型高能量密度的新型自由基聚合物作为电学功能材料具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种季铵盐掺杂氮氧自由基聚合物及其制备方法，通过改变自由基聚合物的结构，从而使得电极材料的总能量密度提升，充放电循环速率进一步能提升，能有效改善自由基聚合物的导电性能以及具有良好的水溶性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种季铵盐掺杂氮氧自由基聚合物，其结构通式：

其中左侧m所对应的含有氮氧自由基的结构单元为主链结构，R为季铵盐结构，m＝29～145，n＝25～140。

所述主链结构具有以下任一项所述的结构式：

其对应的单体名称分别为：4-甲基丙烯酸-2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯、4-丙烯酰胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶、4-乙烯氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶、环氧丙烷-2,2,6,6-四甲基哌啶醚。

所述季铵盐结构R具有以下任一项所述的结构式，其结构如下：

其对应的单体M2名称分别为2-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵、4-乙烯基苄基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵。

一种季铵盐掺杂氮氧自由基聚合物的制备方法，包括以下两个步骤：

步骤一：

通过控制哌啶酯与季铵盐的比例，在Schlenk反应管中，将含有哌啶的反应单体和含有N⁺的季铵盐单体在有机溶剂下混合并加入溶于稀盐酸中的链转移剂2-巯基乙醇，然后在反应体系中加入引发剂，通过三次冷冻-解冻循环使反应体系处于无氧状态，使之发生自由基共聚反应，反应进行24小时。

步骤二：