[发明专利]聚苝四甲酰二亚胺、其制备方法及在锂/钠电池中的应用

说明书

本发明公开一种聚苝四甲酰二亚胺、其制备方法及在锂/钠电池中的应用，属于锂/钠离子电池正极材料技术领域，所述聚苝四甲酰二亚胺通过下述过程获得：将3,4,9,10‑苝四甲酰二亚胺与三氯化铁在球磨罐里混合均匀后用球磨机进行球磨反应20‑30分钟，得到的产物用甲醇洗涤、干燥后得到聚3,4,9,10‑苝四甲酰二亚胺，3,4,9,10‑苝四甲酰二亚胺与三氯化铁的质量比为1:2~3。将上述电池材料装配而成的锂离子电池或钠离子电池进行检测发现，与未聚合的苝四甲酰二亚胺正极材料相比，本发明的聚苝四甲酰二亚胺正极材料表现出更好的热稳定性、更加优异的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂/钠离子电池正极材料领域，具体涉及一种聚苝四甲酰二亚胺、其制备方法及在锂/钠电池中的应用。

背景技术

锂/钠离子电池由正极、负极、电解质和隔膜等组成。锂/钠离子电池的电化学性能在很大程度上取决于电极的活性材料。其中正极材料在确定锂/钠离子电池性能方面起着重要作用，是决定电池容量的决定性因素，并影响电池的成本。由于大多数锂/钠离子电池的设计和容量受正极材料限制，因此，设计和制造能够克服锂/钠离子电池系统弱点的正极材料变得至关重要。解决这些问题的方法是开发具有优异电化学性能的先进正极材料。

目前，研究较多的是无机正极材料，但是经过几十年的发展，传统的无机正极材料已经进入发展瓶颈。况且相对来说，制备条件比较苛刻，一般需要在高温高压等反应条件下进行，工艺复杂，而且重金属的储备也有限不能无限开采，重金属的使用也会造成环境污染。相比之下，有机正极材料也可以在锂/钠离子电池中显示出电化学活性，除了具有较高的理论比容量外，还具有元素储量丰富、可溶液加工、制备方法温和和分子结构灵活可控等优势。

当今对储能材料需求向高安全性、环境友好、原料低廉易得等方面发展，更小、更薄的便携式储能材料需求猛增也是发展有机正极材料的原因之一。有机材料结构多变、制备简单、资源丰富且可以回收利用，后处理也符合绿色化学的理念。另外，有机正极材料之中不含金属元素，可以制备安全性能更好、质量更轻、比能量相对更高的储能设备。另基于可逆官能团转化而进行的氧化还原反应令有机正极材料不仅仅适用于锂/钠离子电池，还适用于钾、锌、镁等电池体系。

常见的正极材料根据官能团划分为氮氧自由基、共轭羰基、硫醚等几类材料，其中研究最多的是共轭羰基化合物，它拥有快速反应动力学、良好的循环稳定性、库伦效率与倍率性能等优点。但是，小分子羰基化合物较好的溶解性会使其在液态电解质中有一定的溶解度，而导致循环稳定性较差。另外，有机小分子化合物的固有属性即电导率比较低，也会影响到其电化学性能。

3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺（PTCDI）是一类常见的共轭羰基类正极材料，具有较好的循环稳定性和较高的容量。研究者对其结构也做了一些改进，多数是从酸酐出发，与二胺反应，合成PTCDI的衍生聚合物，从而改进它的电化学性能。本发明以PTCDI为原料，通过一种简便的固相反应，氧化偶联聚合方法制备聚苝四甲酰二亚胺（PPTCDI），并把PPTCDI作为正极材料，研究其在锂/钠离子电池的应用。

发明内容

本发明提供一种聚苝四甲酰二亚胺、其制备方法及在锂/钠电池中的应用，基于球磨技术将苝四甲酰二亚胺聚合，制备成结构上共轭体系更大、热稳定性更好、溶解度更低、导电性更高的聚苝四甲酰二亚胺，以解决有机小分子化合物作为电极材料时溶解度大和循环性能差的问题，并将其应用到锂/钠离子电池体系。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

聚苝四甲酰二亚胺具体结构为通式（I）所示化合物：