CN108428839A - 一种共价有机框架涂层隔膜及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共价有机框架涂层隔膜及其制备方法和用途，首先合成TPB‑DMTP‑COF，然后将上述TPB‑DMTP‑COF、导电炭黑和水系粘结剂按质量比为6:2:2充分混合，再滴加2‑3ml正丙醇和水体积比为3:1的正丙醇水溶液，混合均匀后涂在陶瓷隔膜上，置于55℃的真空干燥箱进行干燥，烘干即得共价有机框架TPB‑DMTP‑COF涂层隔膜，应用于锂‑二硫化硒电池中可以有效地抑制穿梭效应的产生和避免锂枝晶刺穿隔膜，提高电池的循环稳定性和电池的比容量，在电流密度为0.5C(1C＝1124mAh/g)下循环100圈容量仍能保持在690mAh/g，大大提高了电池的电化学性能，且制备方法工艺简单，适用性强。

Description

一种共价有机框架涂层隔膜及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种共价有机框架涂层隔膜及其制备方法和用途，用于制备新型锂-二硫化硒电池。
背景技术
随着人们对能源的需求越来越大，锂-二硫化硒电池由于原料简单易得、具有高的理论比容量和高的能量密度，有望替代锂离子电池成为能源储存，极大地引起了科学家的兴趣，锂-二硫化硒电池由于原料简单易得，具有高的理论比容量和高的能量密度，但锂-二硫化硒电池在循环过程中生成的中间产物溶于电解质中造成穿梭效应。同时锂负极会形成锂枝晶，在循环过程会刺穿普通隔膜，使得正负极相互接触从而造成电池内部短路，现有技术中的普通隔膜应用于锂-二硫化硒电池中出现比容量低、稳定性差等问题。
共价有机框架化合物(COF)作为一种新兴的晶态多孔材料[1]，为具有重量轻、永久性纳米孔隙、高表面积和可调结构的多孔共价聚合物，应用于能源储存[2-5]气体吸附、分离[6-8]、储氢、非均相催化和储能系统表现出优越的性能。这是因为共价有机框架化合物(COF)具有高的表面积，可以有效吸收循环过程中的中间产物，避免穿梭效应的产生；同时陶瓷隔膜机械性能良好，可以防止锂枝晶刺穿隔膜。因此，共价有机框架(COFs)涂覆传统的陶瓷隔膜是取代传统隔膜材料的理想材料。
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发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种共价有机框架涂层隔膜的制备方法。
本发明的第二目的还在于提供由上述制备方法制得的共价有机框架涂层隔膜。
本发明的第三目的在于提供上述共价有机框架涂层隔膜的用途，用于锂-二硫化硒电池隔膜材料。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种共价有机框架涂层隔膜的制备方法，具体地，包括以下步骤：
S1、合成TPB-DMTP-COF；
S2、制备共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜；其中，
步骤S1中，所述TPB-DMTP-COF的反应温度为80-150℃；
步骤S2中，所述共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜的涂层厚度为300-450μm。
进一步地，所述TPB-DMTP-COF的合成方法为：
取摩尔比为2:3的1,3,5-(4氨基苯)苯(TPB)和2,5-二甲氧基对苯二醛(DMTP)，加入体积比为1:1的有机溶剂1,3,5-均三甲苯和1,4-二氧六环，然后加入6mol/L的乙酸溶液，加入量为上述两种有机溶剂总体积的1/10；然后通入氩气并密封，将上述混合溶液置于温度为110℃的烘箱中反应72h，再分别用1,4-二氧六环、四氢呋喃和丙酮进行洗涤，即得TPB-DMTP-COF黄色粉末。
进一步地，所述TPB-DMTP-COF为球状颗粒。
进一步地，所述共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜的制备过程为：
将步骤(1)中合成的TPB-DMTP-COF、导电炭黑和水系粘结剂按质量比为6:2:2充分混合，再滴加2-3ml正丙醇和水体积比为3:1的正丙醇水溶液，混合均匀后涂在陶瓷隔膜上，置于55℃的真空干燥箱进行干燥，烘干，剪裁成圆片。
进一步地，所述水系粘结剂的质量分数为5％。
本发明的第二方面，一种共价有机框架涂层隔膜，由上述共价有机框架涂层隔膜的制备方法制得。
本发明的第二方面，上述共价有机框架涂层隔膜作为新型锂-二硫化硒电池隔膜材料的用途。
需要说明的是，在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件可以任意组合即得本发明各较佳实施例。另外，本发明所用的原料和试剂除有特殊说明外均市售可得，如水性粘结剂的牌号为LA132、导电炭黑的牌号为super-P；采用的技术手段中除有说明外，离心、冷冻干燥和透析等工序均为本领域常规技术手段。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：
本发明制备的共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜应用于锂-二硫化硒电池中，有效地抑制穿梭效应的产生和避免锂枝晶刺穿隔膜，并提高电池的循环稳定性和电池的比容量，在电流密度为0.5C(1C＝1124mAh/g)下循环100圈容量仍能保持在690mAh/g，大大提高了电池的电化学性能，且制备方法工艺简单，适用性强。
附图说明
图1为TPB-DMTP-COF的合成示意图；
图2为TPB-DMTP-COF的SEM图；
图3为TPB-DMTP-COF涂层隔膜的制备过程示意图；
图4为新型锂-二硫化硒电池组装的结构示意图；
图5为新型锂-二硫化硒电池电流密度为0.5C时的循环示意图(a)，和电池电流密度为0.5C时前三圈的充放电曲线(b)；
图6为新型锂-二硫化硒电池电流密度为1C时的循环示意图；
图7为新型锂-二硫化硒电池的倍率性能图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1制备共价有机框架涂层隔膜
一种共价有机框架涂层隔膜的制备方法，具体地，包括以下步骤：
S1、合成TPB-DMTP-COF
取摩尔比为2:3的1,3,5-(4氨基苯)苯和2,5-二甲氧基对苯二醛，加入体积比为1:1的有机溶剂1,3,5-均三甲苯和1,4-二氧六环，然后加入6mol/L的乙酸溶液，加入量为上述两种有机溶剂总体积的1/10；然后通入氩气并密封，将上述混合溶液置于温度为110℃的烘箱中反应72h，再分别用1,4-二氧六环、四氢呋喃和丙酮进行洗涤，即得TPB-DMTP-COF黄色粉末，如附图1和2所示。
S2、制备共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜
将步骤(1)中合成的TPB-DMTP-COF、super-P和质量分数为5％的LA132按质量比为6:2:2充分混合，再滴加2-3ml正丙醇和水体积比为3:1的正丙醇水溶液，混合均匀后涂在陶瓷隔膜上，置于55℃的真空干燥箱进行干燥，烘干，剪裁成圆片，即得涂层厚度为400μm的共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜，如附图3所示。
实施例2制备共价有机框架涂层隔膜
一种共价有机框架涂层隔膜的制备方法，具体地，包括以下步骤：
S1、合成TPB-DMTP-COF
取摩尔比为2:3的1,3,5-(4氨基苯)苯和2,5-二甲氧基对苯二醛，加入体积比为1:1的有机溶剂1,3,5-均三甲苯和1,4-二氧六环，然后加入6mol/L的乙酸溶液，加入量为上述两种有机溶剂总体积的1/10；然后通入氩气并密封，将上述混合溶液置于温度为80℃的烘箱中反应72h，再分别用1,4-二氧六环、四氢呋喃和丙酮进行洗涤，即得TPB-DMTP-COF黄色粉末。
S2、制备共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜
将步骤(1)中合成的TPB-DMTP-COF、super-P和质量分数为5％的LA132按质量比为6:2:2充分混合，再滴加2-3ml正丙醇和水体积比为3:1的正丙醇水溶液，混合均匀后涂在陶瓷隔膜上，置于55℃的真空干燥箱进行干燥，烘干，剪裁成圆片，即得涂层厚度为300μm的共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜。
实施例3制备共价有机框架涂层隔膜
一种共价有机框架涂层隔膜的制备方法，具体地，包括以下步骤：
S1、合成TPB-DMTP-COF
取摩尔比为2:3的1,3,5-(4氨基苯)苯和2,5-二甲氧基对苯二醛，加入体积比为1:1的有机溶剂1,3,5-均三甲苯和1,4-二氧六环，然后加入6mol/L的乙酸溶液，加入量为上述两种有机溶剂总体积的1/10；然后通入氩气并密封，将上述混合溶液置于温度为150℃的烘箱中反应72h，再分别用1,4-二氧六环、四氢呋喃和丙酮进行洗涤，即得TPB-DMTP-COF黄色粉末。
S2、制备共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜
将步骤(1)中合成的TPB-DMTP-COF、super-P和质量分数为5％的LA132按质量比为6:2:2充分混合，再滴加2-3ml正丙醇和水体积比为3:1的正丙醇水溶液，混合均匀后涂在陶瓷隔膜上，置于55℃的真空干燥箱进行干燥，烘干，剪裁成圆片，即得涂层厚度为450μm的共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜。
实施例4新型锂-二硫化硒电池的电化学性能测试
将实施例1制备的共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜与锂负极和二硫化硒正极按照附图4所示的顺序，即负极为锂金属、隔膜为共价有机框架涂层隔膜、正极为二硫化硒组装成扣式电池，其中，涂层与二硫化硒正极接触。将组装好的电池在充放电仪下以不同的电流密度下进行电化学测试。
图5为新型锂-二硫化硒电池电流密度为0.5C(1C＝1124mAh/g)下循环100圈的循环示意图(a)、电池电流密度为0.5C时前三圈的充放电曲线(b)；从图中可以看出第一圈的容量为747mAh/g，循环100圈后容量保持在690mAh/g，整个循环过程的库仑效率接近100％，说明电池的可逆性能优异。
图6为本发明的共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜应用于新型锂-二硫化硒电池中、在电流密度为1C下循环400圈的循环示意图，图中可以看出其初始容量高达600mAh/g，循环400圈后容量仍保持312mAh/g，表现出很好的稳定性。
图7为新型锂-二硫化硒电池的倍率性能图，可以看出在0.5C时容量约为800mAh/g，在电流密度为1C时容量达到674mAh/g，在2.5C的电流密度下容量仍保持有354mAh/g，表现出优异的电化学稳定性和可逆性。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种共价有机框架涂层隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、合成TPB-DMTP-COF；
S2、制备共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜；其中，
步骤S1中，所述TPB-DMTP-COF的反应温度为80-150℃；
步骤S2中，所述共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜的涂层厚度为300-450μm。
2.一种如权利要求1所述共价有机框架涂层隔膜的制备方法，其特征在于，所述TPB-DMTP-COF的合成方法为：
取摩尔比为2:3的1,3,5-(4氨基苯)苯和2,5-二甲氧基对苯二醛，加入体积比为1:1的有机溶剂1,3,5-均三甲苯和1,4-二氧六环，然后加入6mol/L的乙酸溶液，加入量为上述两种有机溶剂总体积的1/10；然后通入氩气并密封，将上述混合溶液置于温度为110℃的烘箱中反应72h，再分别用1,4-二氧六环、四氢呋喃和丙酮进行洗涤，即得。
3.一种如权利要求1或2所述共价有机框架涂层隔膜的制备方法，其特征在于，所述TPB-DMTP-COF为黄色粉末。
4.一种如权利要求1所述共价有机框架涂层隔膜的制备方法，其特征在于，所述共价有机框架TPB-DMTP-COF涂层隔膜的制备过程为：
将步骤(1)中合成的TPB-DMTP-COF、导电炭黑和水系粘结剂按质量比为6:2:2充分混合，再滴加2-3ml正丙醇和水体积比为3:1的正丙醇水溶液，混合均匀后涂在陶瓷隔膜上，置于55℃的真空干燥箱进行干燥，烘干，剪裁成圆片，即得。
5.一种如权利要求1或4所述共价有机框架涂层隔膜的制备方法，其特征在于，所述水系粘结剂的质量分数为5％。
6.一种共价有机框架涂层隔膜，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述共价有机框架涂层隔膜的制备方法制得。
7.权利要求6所述共价有机框架涂层隔膜作为新型锂-二硫化硒电池隔膜材料的用途。
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