[发明专利]一种基于聚酰亚胺与石墨烯复合的可充电镁电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可充电镁电池的正极材料，为聚酰亚胺/石墨烯复合物。所述复合物是以1,4,5,8‑萘四甲酸二酐和对苯二胺为反应物制备得到的产物为活性组分，以石墨烯为载体制备得到。本发明还公开了上述的可充电镁电池正极材料的制备方法。本发明所提供的基于聚酰亚胺与石墨烯复合的可充电镁电池正极材料，避免了具有氧化还原活性的有机物溶于电解液以及导电性差造成的倍率性能和循环可逆性差，组装的镁电池表现出优异的电化学储镁性能。

技术领域

本申请涉及电化学技术领域，具体而言，涉及一种基于聚酰亚胺与石墨烯复合的可充电镁电池正极材料及其制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池被认为是非常有前景的绿色电化学储能体系，已经实现了商业化应用，比如电动车、移动电源等。但是，有限的锂资源以及在充放电时产生锂枝晶引起的安全问题限制了锂离子电池的大规模应用。

近年来，多价金属离子(如Al³⁺，Ca²⁺，Mg²⁺等)电池由于具有更高的理论体积比容量受到研究者们的广泛关注。其中，金属镁具有较低的还原电位-2.37V(vs RHE)，高的理论体积比容量(3833mAh cm^-3)，价格便宜，环境友好，沉积/溶解过程中不易产生枝晶等优点，因此镁被认为是理想的电池负极材料。

然而，目前可充电镁电池的研究仍然处于初级阶段，存在很多问题。比如，二价Mg²⁺离子的强极化性质使得Mg²⁺与电极材料之间发生较大的库伦作用，从而导致Mg²⁺在电极材料中的扩散动力学非常缓慢；同时电解液与电极材料的不兼容也严重限制了镁电池的发展。目前为止，只有少数的氧化物，硫化物和聚阴离子化合物等电极材料能够可逆的存储镁。性能最好的正极材料要数2000年Aurbach报道的Chevrel相Mg_xMo₃S₄,其最大放电容量接近122mAh g^-1，可循环2000多圈，但是较低的工作电压(1.3V vs.Mg)导致其能量密度较低。因此研究设计具有高电压和高容量的正极材料以及能够兼容的电解液是镁电池面临的最大问题。

发明内容

具有氧化还原活性的有机物具有价格低廉，对环境无污染等特点，已经被广泛用于Li⁺，Na⁺，K⁺离子电池进行研究。然而，只有极少数的有机物被用于可充电镁电池，主要是因为有机物在镁电池电解液中会溶解，造成电池的循环可逆性差。

聚酰亚胺作为一种工程塑料，具有机械性能好，热稳定性好，价格便宜等优点，且这种聚合物有具有氧化还原性的羰基，难溶于一般的有机溶剂。

本发明提供了一种基于聚酰亚胺与石墨烯复合的可充电镁电池正极材料及其制备方法，将聚酰亚胺与石墨烯复合物作为镁电池正极材料，探究了其电化学性能，组装的镁电池表现出了非常好的储镁能力。

本发明所述的正极材料为聚酰亚胺/石墨烯复合物。具体的，所述的正极材料中聚酰亚胺、石墨烯的质量比15:1～5:2。优选所述的正极材料中聚酰亚胺、石墨烯的质量比10:1～5:1。最优选的为质量比8:1。

进一步的，所述的聚酰亚胺/石墨烯复合物是以1,4,5,8-萘四甲酸二酐和对苯二胺为反应物制备得到的产物为活性组分，以石墨烯为载体制备得到。

本发明还公开了上述的可充电镁电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将石墨烯加入N-甲基吡咯烷酮溶液中，超声处理，得石墨烯分散液；

(2)将1,4,5,8-萘四甲酸二酐加入(1)中混合溶液中，然后再加入对苯二胺，在N₂保护下回流5～10h；