CN106207182A - 一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物及其制备方法 - Google Patents

一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物及其制备方法，涉及一种锂离子电池材料及其制备方法，本发明公开了一种具有高自由基密度的微介孔结构聚三苯胺衍生物、其应用以及由其制备的锂电池，所述微介孔结构的聚三苯胺衍生物材料是以4，4′，4"‑三(N,N‑二苯基氨基)三苯基胺 (TDATA)为单体，通过化学氧化聚合法制得。所述的聚三苯胺衍生物材料具有微介孔结构和纤维形貌。将其作为锂离子电池正极材料，具有良好的充放电性能、循环稳定性以及高倍率性能。

Description

一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池材料及其制备方法，特别是涉及一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物及其制备方法。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，人类面临着诸多发展过程中的问题，其中能源作为人类赖以生存的基础，也是世界经济增长的源动力，因而能源问题也就成为了 21 世纪世界范围内讨论的热点话题。电能由于清洁、安全且便利等特点显示出其优越性，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。
传统的锂离子电池正极材料主要采用过渡金属氧化物，如氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰
锂和钒的氧化物等。这些材料主要以贵金属为主，往往具有矿产资源有限、价格高、污染环
境、制备成本高等缺陷。有机聚合物正极材料以其理论容量高、绿色环保、结构可设计等优点可能代替传统无极材料成为新一代绿色材料而引起广大学者的关注。因此，为了人类社会的可持续发展，研究和发展新型高性能的有机聚合物正极材料显得尤为关键。
三苯胺类化合物及其衍生物既有良好导电性的聚对苯（PPP）主链结构，又有氮自由基活性中心。在电场作用下，其中的N原子能够形成阳离子（空穴）而带正电荷，具有较高的空穴迁移率，是典型的空穴传输材料。该类化合物已经在有机发光材料（OLEDs等）及有机光伏材料（OPVs）领域引起人们的广泛研究。聚三苯胺（PTPA）作为最简单的三苯胺类材料，J. K. Feng等人早在2008年将其制成锂离子电池正极，发现其具有电压平台稳定，循环稳定性良好，高库伦效率等优点。但在后续的研究中发现该聚合物自由基密度较低，且团聚严重，导致材料在实际应用过程中利用率以及相应的实际容量偏低。
4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺(TDATA) 是一种星状芳胺类化合物，由于其具有4个氧化还原中心而被作为优良的空穴传输材料应用于有机电致发光器件（OELD）。研究发现TDATA也是一种具有高自由基密度结构的化合物，具有的二维平面分子结构，使得相邻的分子结构中的π-π共轭效应明显增强，促进了电荷在分子间的传输，从而提高了其作为优良的空穴传输材料的性能。虽然，TDATA在有机电致发光材料领域已被人们广泛地研究，但是通过聚合方法制备具有高自由基密度的聚三苯胺新型衍生物，并通过控制聚合反应条件制备具有微介孔形貌的共轭材料体系，同时，将其作为锂电池正极材料研究上未见文献报道。研究结果表明，制备的具有高自由基密度的微结构聚三苯胺衍生物对具有高的实际比容量和较高的倍率性能，是一种具有前景的有机锂电池正极材料体系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物及其制备方法，本发明提供了一种新型的聚三苯胺衍生物材料及其制备方法，该材料以4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺(TDATA)为单体，通过氧化聚合反应制备，具有高的自由基密度。同时本发明提供将上述制备的高自由基密度的微介孔材料PTDATA作为高性能有机自由基锂离子电池正极材料的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微介孔聚三苯胺衍生物，其化学结构如下所示：
。
所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物，所述衍生物具有直径为10~200 nm纤维形貌、微介孔结构和500~1200 m2/g 的比表面积。
一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，所示的聚三苯胺衍生物的制备方法包括如下步骤：
（1）4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（TDATA）的合成：单体的合成方法参考Toshihide Yamrmoto, Masrkazu Nishiyama, Yasuyuki Koie, Palladium-CatalyzedSynthesis of Triarylamines from Aryl Halides and Diarylamines. TetrahedronLetters, 1998, 39, 2367-2370；
（2）微介孔形貌聚4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（PTDATA）的合成：高自由基密度的微介孔材料是以4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺(TDATA)为功能单体，通过氧化聚合法制得；在惰性气体保护下，以TDATA为反应物单体，将其溶解于非质子性溶剂中，并采用氧化剂为催化剂，在温度条件下进行搅拌反应；反应后，反应液中加入过量沉淀剂静止，析出沉淀产物经过滤、真空干燥后得翠绿色PTDATA固体产物；
所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，所述PTDATA材料合成过程中采用惰性气体保护，如氮气和氩气。
所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，所述PTDATA材料合成过程中采用非质子性溶剂，包括：氯仿、三氯甲烷、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烷、四氯乙烷、二甲基亚砜、四氢呋喃。
所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，其所述PTDATA材料合成过程中采用氧化剂为过硫酸铵、过硫酸钾、FeCl3、H2O2。
所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，所述PTDATA材料合成过程中氧化剂:单体=2.5~6 mol/mol；反应时间为12~72 h；反应温度采用-20~60℃；沉淀剂采用丙酮、甲醇、乙醇。
一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物，所述制备的具有高自由基密度的微介孔材料（PTDATA）应用于锂离子电池正极材料。
9、如权利要求8所述的一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物，其特征在于，所述的锂电池正极极片制备过程为在铝箔表面采用涂膜法制备正电极片；将活性物质聚合物粉末（PTDATA）：导电剂乙炔黑：粘结剂PVDF =质量比2~8：2~5：1~2比例溶于溶剂N-甲基吡咯烷酮 (NMP) 中碾磨均匀成粘稠状液体，再将该液体用刮刀涂覆在干净的铝箔上，然后在真空干燥箱中烘干即可。
本发明的优点与效果是：
本发明首次将聚合物PTDATA作为锂离子电池正极材料应用在锂离子电池上，并将其组装成模拟电池器件进行测试并取得较好的电池性能。
（1）与报道的聚三苯胺正极材料相比，本发明所述的PTDATA材料具有143.5mAh/g的理论容量和高达130~140 mAh/g的实际比容量；高倍率下充放电性能优越，500 mAh 倍率下，放电比容量可达90~115 mAh/g。
（2）本发明制备的锂电池与现有研究和报道的聚三苯胺为正极材料的锂电池相比，具有较高的充放电比容量、优越的循环稳定性以及较出色的快速充放电性能等优点。因此，PTDATA可以作为一种非常有潜力的正极材料应用于有机锂离子电池正极材料中。
附图说明
图1聚合物PTDATA的扫描电镜图；
图2 聚合物PTDATA和聚三苯胺（PTPA）的吸附脱附曲线；
图3 PTDATA在20 mA/g充放电速率下的首次充放电曲线（电压范围: 2.5~4.2 V vs.Li/Li+）；
图4 以PTDATA正极材料在50, 100, 300 and 500 mA /g电流密度下的充放电倍率性能图 (电压范围: 2.5~4.2 V vs. Li/Li+) 。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
聚合物（PTDATA）的制备
（1）4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（TDATA）的合成
在干燥的250 mL三口烧瓶中加入2.492 g (4 mmol) 碘代三苯胺，2.708g (16 mmol)二苯胺，0.337 g 醋酸钯，2.244 g叔丁醇钾，再加入邻二甲苯100 mL，搅拌溶解，并在氮气保护下用注射器向反应体系加入4.8 mL三丁基膦，在120℃下搅拌回流反应12小时。反应结束后趁热过滤得到溶液，加入三氯甲烷和蒸馏水反复洗涤多次，将得到的萃取液用旋转蒸发仪蒸干，得到淡黄色的固体。再将该固体溶于三氯甲烷中，用短硅胶柱进行脱色处理，得到淡黄色溶液，旋干得到淡黄色粗产物。将该固体在四氢呋喃/甲醇（1:1 v/v）溶液中重结晶得到淡黄色的目标产物2.003 g（67.1 %）。
（2）聚4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（PTDATA）的合成
4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺(TDATA)对应的聚合物和聚4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（PTDATA）采用化学氧化法制备。在干燥的50 mL的三口烧瓶中，加入0.5 g单体并溶于50 mL氯仿中，加入摩尔量为单体4倍的氧化剂六水三氯化铁。反应在氮气保护下进行室温反应24 h。反应结束后，加入大量的甲醇使产物沉淀并过滤。将在抽滤漏斗上的固体在60 ℃下真空干燥24 h。得到翠绿色PTDATA固体。扫描电镜测试表明，该聚合物具有纤维状形貌（图1），BET测试数据表明高聚合物具有微介孔结构（平均孔径~3.24 nm）和高比表面积（560.58 m2/g）（图2）。
实施例2
电极的制备及电池组装
（1）电极的制备。在铝箔表面采用涂膜法制备电极片。将活性物质聚合物粉末：导电剂乙炔黑：粘结剂PVDF =质量比4：5：1比例溶于溶剂N-甲基吡咯烷酮 (NMP) 中想成粘稠状液体。再将该液体用90 nm的刮刀涂覆在干净的铝箔上，然后在60 ℃下真空干燥直到薄膜质量不变为止。
（2）电池的组装。本文主要采用CR2032型电池器件体系进行电池的电化学性能及充放电性能测试。将锂作为负极兼参比电极，电解液是1 M LiPF6的EC:DMC =1:1 (v/v) 溶液，隔膜是工业化使用的聚丙烯微孔膜 (Celgard 2300)，之前制备好的电极为正极，在氩气气氛的手套箱中（水值及氧值均低于5 ppm）组装成CR2032模拟半电池。测试前，先将装好的电池放在干燥器里12 h。此举是为使电解液和极片更好的浸润，从而使测试数据更加稳定。对制备得到的电池进行电化学性能测试，在电流密度为 20 mA/g 的充放电速率下，1mol/L LiPF6 EC/DMC(V/V, 1:1)电解质中，在2.5 V-4.2 V电压范围内进行充放电和循环性能测试。
电池性能测试表明，PTDATA聚合物作为电池正极材料展现出较高放电比容量（133.1 mAh/g），且在3.8，3.4，3.2，2.5 V附近分别显示出了四个充放电电压平台，这是自由基展现出的逐个电子得失的四阶充放电现象（图3）。在高倍率下放电依旧可以保持较高的放电容量，在50, 100, 300 and 500 mA /g电流密度下，有该材料构成的电池具有125.4, 114.1, 97.5 and 90.9 mAh/g（图4）。

Claims (9)

1.一种微介孔聚三苯胺衍生物，其特征在于，其化学结构如下所示：
。
2.如权利要求1所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物，其特征在于，所述衍生物具有直径为10~200 nm纤维形貌、微介孔结构和500~1200 m2/g 的比表面积。
3.一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，其特征在于，所示的聚三苯胺衍生物的制备方法包括如下步骤：
（1）4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（TDATA）的合成：单体的合成方法参考Toshihide Yamrmoto, Masrkazu Nishiyama, Yasuyuki Koie, Palladium-CatalyzedSynthesis of Triarylamines from Aryl Halides and Diarylamines. TetrahedronLetters, 1998, 39, 2367-2370；
（2）微介孔形貌聚4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺（PTDATA）的合成：高自由基密度的微介孔材料是以4，4′，4"-三(N,N-二苯基氨基)三苯基胺(TDATA)为功能单体，通过氧化聚合法制得；在惰性气体保护下，以TDATA为反应物单体，将其溶解于非质子性溶剂中，并采用氧化剂为催化剂，在温度条件下进行搅拌反应；反应后，反应液中加入过量沉淀剂静止，析出沉淀产物经过滤、真空干燥后得翠绿色PTDATA固体产物；
。
4.如权利要求3所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，其特征在于，所述PTDATA材料合成过程中采用惰性气体保护，如氮气和氩气。
5.如权利要求3所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，其特征在于，所述PTDATA材料合成过程中采用非质子性溶剂，包括：氯仿、三氯甲烷、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烷、四氯乙烷、二甲基亚砜、四氢呋喃。
6.如权利要求3所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，其特征在于，所述PTDATA材料合成过程中采用氧化剂为过硫酸铵、过硫酸钾、FeCl3、H2O2。
7.如权利要求3所述的一种微介孔聚三苯胺衍生物制备方法，其特征在于，所述PTDATA材料合成过程中氧化剂:单体=2.5~6 mol/mol；反应时间为12~72 h；反应温度采用-20~60℃；沉淀剂采用丙酮、甲醇、乙醇。
8.一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物，其特征在于，所述制备的具有高自由基密度的微介孔材料（PTDATA）应用于锂离子电池正极材料。
9.如权利要求8所述的一种应用于锂电池的微介孔聚三苯胺衍生物，其特征在于，所述的锂电池正极极片制备过程为在铝箔表面采用涂膜法制备正电极片；将活性物质聚合物粉末（PTDATA）：导电剂乙炔黑：粘结剂PVDF =质量比2~8：2~5：1~2比例溶于溶剂N-甲基吡咯烷酮 (NMP) 中碾磨均匀成粘稠状液体，再将该液体用刮刀涂覆在干净的铝箔上，然后在真空干燥箱中烘干即可。
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