一種高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于有機(jī)電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料及其制備方法。為了解決有機(jī)小分子導(dǎo)電性差和易溶解的問題，本方法采用反溶劑法控制氨基蒽醌的形貌并將其包裹于氧化石墨烯中，再通過化學(xué)還原得到氨基蒽醌和石墨烯的納米復(fù)合物，該材料可以直接作為鋰離子電池正極材料。本發(fā)明專利技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：制備方法簡單，原料廉價易得，活性物質(zhì)利用率高，基于整個電極的比容量大（165?mAh?g

High performance organic lithium ion battery positive electrode material and preparation method thereof

The invention belongs to the technical field of organic battery materials, in particular to a positive electrode material of a high-performance organic lithium ion battery and a preparation method thereof. In order to solve the problem of small organic molecules with poor conductivity and easy to dissolve, the morphology method using anti solvent control anthraquinone and its wrapped in graphene oxide, then by chemical reduction of nanocomposites by anthraquinone and graphene, the material can be directly used as cathode materials for lithium ion batteries. The invention has the advantages of simple preparation method, cheap raw materials, active material utilization rate is high, based on the electrode capacity (165 mAh G

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料及其制備方法
本專利技術(shù)屬于有機(jī)電池材料
，具體涉及鋰離子電池正極材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
目前，商業(yè)化的鋰離子電池大多采用含鋰的過渡金屬氧化物作為儲鋰正極，但是其理論容量不高，這導(dǎo)致鋰離子電池的發(fā)展遇到瓶頸。隨著社會發(fā)展對能源的需求不斷增大以及可持續(xù)發(fā)展理念的推廣，有機(jī)電極材料由于其理論容量高、結(jié)構(gòu)可設(shè)計、環(huán)境友好等特點(diǎn)被發(fā)掘?yàn)樾乱淮G色能源材料。特別在過去十年中，共軛羰基化合物被廣泛研究，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)多樣性使得它們具有高能量密度，高功率密度和長循環(huán)壽命的特點(diǎn)。根據(jù)它們的分子量，可分為共軛羰基小分子和共軛羰基聚合物。其中，共軛羰基小分子普遍存在的問題是導(dǎo)電性差和容易溶解在非質(zhì)子電解液中。導(dǎo)電性差導(dǎo)致活性物質(zhì)利用率低及倍率差，而溶解性問題使得容量衰減快，循環(huán)壽命短。為了解決這兩個問題，通常在電極制備過程中加入導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑，這樣在一定程度犧牲整個電極的電化學(xué)性能。。最近通過將有機(jī)小分子與介孔碳、碳納米管、石墨烯等碳納米材料復(fù)合可以有效提高導(dǎo)電性及抑制溶解性，但是這些材料在制備電極材料時大部分仍然需要導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑，導(dǎo)致比容量有一定損失。而且直接混合對抑制溶解的效果比較有限。因此設(shè)計新型的有機(jī)正極材料具有重要意義。石墨烯具有比表面大、導(dǎo)電性好、柔韌性好等特點(diǎn)，其與共軛芳香羰基化合物之間具有π-π相互作用，可使有機(jī)小分子吸附在石墨烯表面，且石墨烯作為柔韌的二維材料，可以將有機(jī)小分子納米顆粒包裹起來。為解決有機(jī)電極材料導(dǎo)電性差和溶解性問題，我們將石墨烯與有機(jī)小分子原位復(fù)合，制備高性能的自支撐有機(jī)正極材料。專利技術(shù)內(nèi)容本專利技術(shù)的目的是針對有機(jī)電極材料導(dǎo)電性差和溶解性問題，提供一種新型的有機(jī)鋰離子電池正極材料及其制備方法，該有機(jī)物與石墨烯的復(fù)合材料可直接作為電極材料，具有比容量大、循環(huán)壽命長的特點(diǎn)，其制備方法簡單易行。本專利技術(shù)提供的高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料，以氨基蒽醌作為活性物質(zhì)，與石墨烯復(fù)合后，直接作為自支撐的電極材料。本專利技術(shù)提供的高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料的制備方法，具體步驟如下：（1）制備氧化石墨烯前驅(qū)體：采用改進(jìn)Hummers法制備，即取1~3g325目石墨粉，加入0.5~2g的硝酸鈉粉末和25~120ml濃硫酸，在冷水浴下緩慢加入3~9g高錳酸鉀，在30~40℃水浴中攪拌0.5~3h，隨后加入少量的水，繼續(xù)反應(yīng)10~30min，再加入100ml以上的大量水，反應(yīng)5~20min，然后加入適量過氧化氫至溶液變?yōu)榻瘘S色；將溶液靜置沉降后傾析除去上層清液，加入適量10%的鹽酸，分裝入離心管中高速離心（10000~12000r/min）棄去上層清液，隨后用去離子水洗至中性，將水洗后產(chǎn)物收集，加入適量的去離子水超聲分散，得到氧化石墨烯（GO）水溶液；（2）制備氨基蒽醌和氧化石墨烯的復(fù)合物：取一定量氨基蒽醌（AAQ）溶解于適量乙醇中，過濾后將濾液旋蒸，得到純化的氨基蒽醌。將適量AAQ溶解于二甲基亞砜（DMSO）中，然后加入適量的1M鹽酸水溶液，超聲后將上述混合溶液在攪拌下逐滴加入適量0.4~2mg/mL氧化石墨烯（GO）水溶液中；繼續(xù)攪拌20~40min后，離心除去上清液，剩余固體分散于適量去離子水中，攪拌均勻得到復(fù)合物水溶液，記為AAQH+Cl-@GO；（3）制備氨基蒽醌和石墨烯的復(fù)合物取一定量AAQH+Cl-@GO水溶液于小瓶子中，加入適量1M抗壞血酸鈉水溶液，混合均勻后在90~100℃烘箱中加熱1~2h，得到AAQ負(fù)載在石墨烯上的水凝膠，記為AAQ@G，水洗3~5次后在冰箱中放置1~3h，再凍干16~24h，得到自支撐的AAQ@G氣凝膠。本專利技術(shù)步驟（1）中，GO水溶液的濃度調(diào)為0.4~2mg/mL比較合適。本專利技術(shù)步驟（2）中，氨基蒽醌使用前經(jīng)過簡單純化除去不溶物質(zhì)，然后加入等摩爾量的HCl使其質(zhì)子化。本專利技術(shù)步驟（2）中，利用反溶劑法（向AAQ的溶液中加入不良溶劑）控制AAQ的形貌，并將AAQ納米棒包裹于GO中，AAQ的DMSO溶液和GO水溶液的體積為1:1~1:10，優(yōu)選體積為1:3~1:8。本專利技術(shù)步驟（2）中，AAQH+Cl-@GO水溶液的濃度為1~3mg/mL比較合適。本專利技術(shù)步驟（3）中，組裝水凝膠時，加熱溫度為90~100℃，加熱時間為1~2h。本專利技術(shù)步驟（2）中，放入凍干機(jī)前先在冰箱中放1~3h，再凍干時間為16~24h。本專利技術(shù)的AAQ@G氣凝膠，可直接作為正極材料，不需要添加額外的導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：通過加入鹽酸將AAQ質(zhì)子化，使其帶上負(fù)電荷，增大其與GO直接的相互作用，有利于AAQ吸附在GO片上；通過將AAQ的DMSO溶液滴加進(jìn)GO水溶液中，AAQ遇到水（不良溶劑）后結(jié)晶為納米棒并吸附在GO片上；通過化學(xué)還原GO片組裝為石墨烯水凝膠并將AAQ納米棒包裹在內(nèi)部，石墨烯的良好導(dǎo)電性及包裹作用能提高有機(jī)物的利用率及循環(huán)穩(wěn)定性，解決有機(jī)鋰離子電池正極材料存在的問題。同時，本專利技術(shù)制備方法簡單，原料廉價易得，活性物質(zhì)利用率高，基于整個電極的比容量大（165mAhg-1），循環(huán)壽命長（500圈后容量保持率有75%），有望成為下一代綠色環(huán)保有機(jī)鋰離子電池材料。附圖說明圖1為AAQH+Cl-@GO水溶液。圖2為圖1中化學(xué)還原后得到的AAQ@G的水凝膠。圖3為圖2中水凝膠凍干后得到的自支撐AAQ@G氣凝膠。圖4為AAQH+Cl-@GO的透射電鏡圖片。圖5為AAQ@G氣凝膠的掃描電鏡圖片。圖6為RGO、AAQ和AAQ@G的熱重曲線，根據(jù)失重率可計算復(fù)合物中AAQ的百分比。圖7為AAQ@G與鋰片組裝為半電池，在0.1C下的恒電流充放電曲線，比容量是基于整個電極質(zhì)量計算的。圖8為AAQ@G與鋰片組裝為半電池，在0.4C下的循環(huán)充放電容量保持曲線，比容量是基于整個電極質(zhì)量計算的。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但不局限于以下實(shí)施例，凡是對本專利技術(shù)技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本專利技術(shù)技術(shù)方案的范圍，都屬于本專利技術(shù)保護(hù)的范圍。一種高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料，通過反溶劑法將AAQ的溶解在良溶劑中并質(zhì)子化，然后加入含有GO的不良溶劑中，AAQ結(jié)晶析出并吸附在GO片上，再通過化學(xué)還原把GO組裝為石墨烯水凝膠，同時AAQ納米棒被包裹在石墨烯中。通過調(diào)節(jié)溶劑的比例可以控制AAQ納米棒的尺寸，通過改變AAQ和GO的投料比可以調(diào)節(jié)復(fù)合物中AAQ的百分比。實(shí)施例1：（1）制備氧化石墨烯前驅(qū)體：采用改進(jìn)Hummers法制備，即取1~3g325目石墨粉，加入0.5~2g的硝酸鈉粉末和25~120ml濃硫酸，在冷水浴下緩慢加入3~9g高錳酸鉀，在30~40℃水浴中攪拌0.5~3h，隨后加入少量的水，繼續(xù)反應(yīng)10~30min，再加入100ml以上的大量水，反應(yīng)5~20min，然后加入適量過氧化氫至溶液變?yōu)榻瘘S色。將溶液靜置沉降后傾析除去上層清液，加入適量10%的鹽酸，分裝入離心管中高速離心（10000~12000r/min）棄去上層清液，隨后用去離子水洗至中性，將水洗后產(chǎn)物收集，加入適量的去離子水超聲分散，得到0.4~2mg/mL氧化石墨烯（GO）水溶液。（2）制備氨基蒽醌和氧化石墨烯的復(fù)合物：取一定量氨基蒽醌（AAQ）溶解于適量乙醇中，過濾后本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料，其特征在于，以氨基蒽醌作為活性物質(zhì)，與石墨烯復(fù)合后直接作為自支撐的電極材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高性能有機(jī)鋰離子電池正極材料，其特征在于，以氨基蒽醌作為活性物質(zhì)，與石墨烯復(fù)合后直接作為自支撐的電極材料。2.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)鋰離子電池正極材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：（1）制備氧化石墨烯前驅(qū)體：采用改進(jìn)Hummers法制備，即取1~3g325目石墨粉，加入0.5~2g的硝酸鈉粉末和25~120ml濃硫酸，在冷水浴下緩慢加入3~9g高錳酸鉀，在30~40℃水浴中攪拌0.5~3h，隨后加入少量的水，繼續(xù)反應(yīng)10~30min，再加入100ml以上的大量水，反應(yīng)5~20min，然后加入適量過氧化氫至溶液變?yōu)榻瘘S色；將溶液靜置沉降后傾析除去上層清液，加入適量10%的鹽酸，分裝入離心管中高速離心，棄去上層清液，隨后用去離子水洗至中性，將水洗后產(chǎn)物收集，加入適量的去離子水超聲分散，得到氧化石墨烯水溶液；（2）制備氨基蒽醌和氧化石墨烯的復(fù)合物：把氨基蒽醌溶解于適量乙醇中，過濾后將濾液旋蒸，得到純化的氨基蒽醌；將適量氨基蒽醌溶解于二甲基亞砜中，然后加入適量的1M鹽酸水溶液，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊觀惠，徐宇曦，劉晶晶，李科，趙然然，肖培濤，
申請(專利權(quán))人：復(fù)旦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海,31