CN110746603A - 作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法及应用 - Google Patents

作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法及应用，将有机物3，4，9，10‑苝四甲酸二酐与乙二胺按照1:0.5混合得到混合物，溶剂为N‑甲基吡咯烷酮；将混合物冷凝回流；冷却至室温后将得到的溶液洗涤，抽虑；将步骤三得到的产物干燥后即得到深红色阳极材料，即一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物，本发明相对于传统的铅酸、镍氢电池，水系电解液的离子电导率要远远高于有机电解液，电解液的阻抗更小，从而有利于进行大倍率充放电，进而提高电化学稳定性，制备工艺简单易重复，成本低廉，便于工业生产，具有一定的经济效益。

Description

作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及一种机聚合物的制备方法及应用，尤其涉及一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法及应用，属于物理化学领域。
背景技术
1994年，水系电池第一次出现在大众视野，大部分锂离子电池存在的问题，通过这一项技术得到了解决。虽然锂离子电池的问世已经克服了传统电池的缺点，但是仍存在着部分问题制约着电池的发展，有毒、易燃易爆的有机电解液，为我们的生活带来了诸多困扰。更重要的是，由于环境污染日益严重，节约不可再生资源以及化石燃料的不断消耗和室温气体大量的排放等等问题都导致了人类的生活和环境都存在严重的问题。所以，我们需要加大对绿色储能装置的研发力度，在大规模储能体系这一部分，不仅要安全，高的循环稳定性、高的能量密度更需要低的成本。水系电池的问世，无疑为绿色储能资源带来了新的曙光。水系电池是以储量丰富的水资源为溶剂，无机盐为溶质的电池，整个体系不仅解决了安全和环境问题，更重要的是降低了生产成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现阶段有机电解液存在的危险而提供一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法及应用。
本发明的目的是这样实现的：
一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将有机物3，4，9，10-苝四甲酸二酐与乙二胺按照1:0.5混合得到混合物，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
步骤二：将混合物冷凝回流；
步骤三：冷却至室温后将得到的溶液洗涤，抽虑；
步骤四：将步骤三得到的产物干燥后即得到深红色阳极材料，即一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述3，4，9，10-苝四甲酸二酐属于酸酐类的N-型有机导电材料；
2.所述冷静回流的温度为120℃-180℃，时间为4-10h；
3.所述步骤四中干燥的温度为60℃-160℃时间为6-24h。
一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的应用，按照乙炔黑、聚偏氟乙烯、有机聚合物的质量比为8:1:1的比例混合制成电极膏体，将所述电极膏体涂覆在碳布上并在80～100℃下干燥得到水系镁离子电池负极极片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用一步水浴冷凝回流法制备了3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物，制备工艺简单易重复，成本低廉，便于工业生产，具有一定的经济效益。在羰基双键断裂的过程中可以实现镁离子的自由脱嵌，与此同时，由于3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合后会有大于等于4个C2H4生成，其与水溶液结合可以大大的提高电极材料的稳定性；
(2)本发明相对于传统的铅酸、镍氢电池，水系电解液的离子电导率要远远高于有机电解液，电解液的阻抗更小，从而有利于进行大倍率充放电，进而提高电化学稳定性；
(3)本发明以廉价的无机镁盐水溶液为电解液，避免了使用有机电解液带来的污染环境、易燃易爆等缺点，达到绿色环保要求的同时，更提高了生产和使用过程中的安全系数。经过电化学测试，本发明的材料在50mAg-1电流密度下，0.5mol L-1MgCl2电解液中最高可达到253mAhg-1。在300mAg-1电流密度下，0.5mol L-1MgCl2电解液中经1000圈循环其容量保持率达98％。
附图说明
图1是实施例1制备的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物IR图；
图2a-b是实施例1制备的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物SEM图；
图3是实施例1制备的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物在不同电流密度下的倍率性能图；
图4是实施例1制备的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物电流密度为300mAg-11000圈循环效率图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备及应用方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，将有机物3，4，9，10-苝四甲酸二酐与乙二胺按照一定比例混合，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
步骤二，将混合物在120℃下冷凝回流6h；
步骤三，冷却至室温后将得到的溶液洗涤，抽虑；
步骤四，120度干燥12h后即得到深红色阳极材料。
本发明提供一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备及应用方法还可以包括：
1、其特征在于步骤一中所述的3，4，9，10-苝四甲酸二酐属于酸酐类的N-型有机导电材料。
2、所述的水系镁离子阳极材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的含溶剂是与反应物不互溶的N-甲基吡咯烷酮。
3、所述的水系镁离子阳极材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的冷凝回流6h。
4、所述的水系镁离子阳极材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述产物最后需要120℃的干燥。
本发明的一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备及应用包法包括：按照乙炔黑、聚偏氟乙烯、有机聚合物的质量比为X:Y:Z的比例混合制成电极膏体，将所述电极膏体涂覆在碳布上并在80～100℃下干燥得到水系镁离子电池负极极片。
以本发明的材料为水系镁离子电池负极，碳棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，水溶液为电解液，一起组装成三电极体系的水系电池。
本发明研发的有机聚合物可实现镁离子的嵌入和脱出，并且脱嵌电位较低，比容量高，可以作为水系镁离子电池负极材料。
本发明将合成的有机聚合物首次应用到水系镁离子电池负极材料中，并表现出了一定的电化学性能，实现了镁离子的脱嵌。聚合物3，4，9，10-苝四甲酸二酐，属于N-型酸酐类导电材料，材料整体结构两端分别有两个羰基基团，通过充放电的变化，可以确定是羰基中的双键断裂后转化烯醇基的过程，根据烯醇基与镁离子的离子大小可以确定两个烯醇基的空间刚好可以满足一个镁离子的嵌入。与此同时，由于3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合后会有大于等于4个C2H4生成，其与水溶液结合可以大大的提高电极材料的稳定性，这些都为有机聚合物作为负极材料提供了理论支持。水系镁离子电池，采用成本低廉的无机镁盐和储量丰富的水资源为电解液，摒弃了价格昂贵的锂盐和易燃易爆的有机电解液，不但大大降低成本，提高经济效益，更加提高了生产过程中的安全性，真正符合“第二代储能电池”绿色环保、安全性能高的要求。因此，研究3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物在水系镁盐电解液中的电化学反应显得十分重要。
实施例1
(1)将有机物3，4，9，10-苝四甲酸二酐与乙二胺按照一定比例混合，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
(2)将混合物在120℃下冷凝回流6h；
(3)冷却至室温后将得到的溶液洗涤，抽虑；
(4)120℃干燥12h后即得到深红色阳极材料。
从电化学稳定性能可以得到实施例1为最优合成条件。
实施例2
将实施例一中步骤(2)中冷凝回流温度改为水热温度为140℃、160℃、180℃。其余合成条件不变。
实施例3
将实施例一中步骤(2)中冷凝回流时间改为4h、8h、10h。其余合成条件不变。
实施例4
将实施例一中步骤(4)干燥时间改为60℃、100℃、160℃。其余合成条件不变。
实施例5
将实施例一中步骤(4)干燥温度改为6h、16h、24h。其余合成条件不变。
实施例6
将实施例1合成条件下的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物的电极片、粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂乙炔黑的质量比8：1：1为混合制成电极膏体，涂覆在1.2cm*1.2cm的碳布上并在80℃下干燥，以碳棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极一起组装成三电极体系的水系电池。将此电池在0.5mol L-1MgCl2水溶液中进行EIS阻抗分析、循环伏安测试以及恒流充放电测试。
实施例7
将实施例1合成条件下的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物电极片、粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂乙炔黑的质量比8：1：1为混合制成电极膏体，涂覆在1.2cm*1.2cm的碳布上并在80℃下干燥，以碳棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极一起组装成三电极体系的水系电池。将此电池在0.5mol L-1Mg(NO3)2水溶液中进行EIS阻抗分析、循环伏安测试以及恒流充放电测试。
实施例8
将实施例1合成条件下的3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物电极片、粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂乙炔黑的质量比8：1：1为混合制成电极膏体，涂覆在1.2cm*1.2cm的碳布上并在80℃下干燥，以碳棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极一起组装成三电极体系的水系电池。将此电池在0.5mol L-1MgSO4水溶液中进行EIS阻抗分析、循环伏安测试以及恒流充放电测试。
综上所述：本发明提供一种水系镁离子电池阳极的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，将有机物3，4，9，10-苝四甲酸二酐与乙二胺按照一定比例混合，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；步骤二，将混合物在120℃下冷凝回流6h；步骤三，冷却至室温后将得到的溶液洗涤，抽虑；步骤四，120℃干燥12h后即得到深红色阳极材料。
本发明以3，4，9，10-苝四甲酸二酐聚合物为工作电极，对电极为碳棒，甘汞电极为参比电极，在浓度为0.5mol L-1MgCl2溶液中进行电化学充放电测试，得到较稳定的性能。水系电池可以避免有机电池存在的易燃易爆，污染环境等大部分问题。在解决环保问题的同时又降低了生产成本，且在使用和生产过程中安全系数得到提高。

Claims (6)

1.一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：将有机物3，4，9，10-苝四甲酸二酐与乙二胺按照1:0.5混合得到混合物，溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
步骤二：将混合物冷凝回流；
步骤三：冷却至室温后将得到的溶液洗涤，抽虑；
步骤四：将步骤三得到的产物干燥后即得到深红色阳极材料，即一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物。
2.根据权利要求1所述的作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法，其特征是，所述3，4，9，10-苝四甲酸二酐属于酸酐类的N-型有机导电材料。
3.根据权利要求1或2所述的作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法，其特征是，所述冷静回流的温度为120℃-180℃，时间为4-10h。
4.根据权利要求1或2所述的作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法，其特征是，所述步骤四中干燥的温度为60℃-160℃时间为6-24h。
5.根据权利要求3所述的作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的制备方法，其特征是，所述步骤四中干燥的温度为60℃-160℃时间为6-24h。
6.一种作为水系镁离子电池负极材料的有机聚合物的应用，其特征是，按照乙炔黑、聚偏氟乙烯、有机聚合物的质量比为8:1:1的比例混合制成电极膏体，将所述电极膏体涂覆在碳布上并在80～100℃下干燥得到水系镁离子电池负极极片。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112321826A (zh) * 2020-11-12 2021-02-05 江苏大学 柔性超分子苝酰亚胺聚合物的制备及其应用于可见光灭菌
CN114927686A (zh) * 2022-05-27 2022-08-19 哈尔滨工程大学 新型水系镁-钠混离子电池负极材料的制备方法及应用
CN115466398A (zh) * 2022-08-10 2022-12-13 东南大学 一种水系锌离子电池用有机醌类聚合物正极材料pppa的制备方法及应用
CN115763789A (zh) * 2022-11-22 2023-03-07 哈尔滨师范大学 一种具有柔性的水系锌离子电池、正极材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106299369A (zh) * 2016-09-27 2017-01-04 华中科技大学 一种水溶液钠离子电池有机负极材料及其制备方法
CN106328949A (zh) * 2016-09-27 2017-01-11 华中科技大学 一种有机电解液钠离子电池有机电极材料及其制备方法
CN106876674A (zh) * 2017-03-15 2017-06-20 上海交通大学 苝二酰亚胺与石墨烯复合材料的制备方法及其应用
CN108470940A (zh) * 2018-03-19 2018-08-31 上海交通大学 一种全有机镁离子电池及其制备方法
CN110156781A (zh) * 2019-06-21 2019-08-23 河南大学 苝四甲酸二酐酰胺化化合物在抗金黄色葡萄球菌中的应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106299369A (zh) * 2016-09-27 2017-01-04 华中科技大学 一种水溶液钠离子电池有机负极材料及其制备方法
CN106328949A (zh) * 2016-09-27 2017-01-11 华中科技大学 一种有机电解液钠离子电池有机电极材料及其制备方法
CN106876674A (zh) * 2017-03-15 2017-06-20 上海交通大学 苝二酰亚胺与石墨烯复合材料的制备方法及其应用
CN108470940A (zh) * 2018-03-19 2018-08-31 上海交通大学 一种全有机镁离子电池及其制备方法
CN110156781A (zh) * 2019-06-21 2019-08-23 河南大学 苝四甲酸二酐酰胺化化合物在抗金黄色葡萄球菌中的应用

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112321826A (zh) * 2020-11-12 2021-02-05 江苏大学 柔性超分子苝酰亚胺聚合物的制备及其应用于可见光灭菌
CN114927686A (zh) * 2022-05-27 2022-08-19 哈尔滨工程大学 新型水系镁-钠混离子电池负极材料的制备方法及应用
CN115466398A (zh) * 2022-08-10 2022-12-13 东南大学 一种水系锌离子电池用有机醌类聚合物正极材料pppa的制备方法及应用
CN115466398B (zh) * 2022-08-10 2023-11-24 东南大学 一种水系锌离子电池用有机醌类聚合物正极材料pppa的制备方法及应用
CN115763789A (zh) * 2022-11-22 2023-03-07 哈尔滨师范大学 一种具有柔性的水系锌离子电池、正极材料及其制备方法

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