CN115028813B - 一种导电粘结剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子化合物技术领域,具体涉及一种导电粘结剂及其制备方法和应用。本发明提供的导电粘结剂,不溶于水,能在水里稳定存在,能够应用于水系离子电池体系中;并且具有增强的粘结性与导电性以及导离子性,能够使水性离子电池在保持原来柔性特性的基础上更好的发挥电池容量。与商业化不导电的PVDF粘结剂相比,使用本发明提供的导电粘结剂的电池具有更小的阻抗,更好的导电性;具有更小的电压极化,更高的电池充放电容量,更稳定的循环性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子化合物技术领域,具体涉及一种导电粘结剂及其制备方法和应用。
背景技术
为了促进清洁、可再生能源的广泛储存,研究性能优异、长循环寿命的廉价能源储存材料和器件正变得越来越重要。而可再生能源非常丰富,包括风能、太阳能、地热能等,这些新能源转换的电能需要储存起来加以利用,因此储能器件未来具有非常广阔的发展空间。
与锂离子电池相比,锌离子电池是一类很有前途的水系电池,它具有储量丰富、成本低、析氢过电势高、比能量高、能量密度高等优点。此外,与铅酸电池和镍镉电池相比,锌离子电池是无毒和无腐蚀性的。在水系锌离子电池家族中,含有中性电解液的Zn-MnO2二次电池以其低成本、高安全性、绿色环保和高能量密度等优点在储能领域受到广泛关注,而且锌锰电池已经被证明具有很高的能量密度和循环稳定性,这使得它们非常适合作为柔性电池应用于柔性可穿戴器件。
但水系二次电池目前尚处在实验室试验以及工厂研发阶段,技术仍不成熟。对于水系柔性二次电池而言,目前使用的柔性集流体大多为碳布、碳纸等导电、轻柔类物质。使用的粘结剂以商业化的聚偏氟乙烯 Poly(vinylidene fluoride),英文缩写PVDF,以及聚四氟乙烯Polytetrafluoroethylene,英文缩写PTFE为主;但这两种粘结剂仍然存在粘结性有限以及不导电的问题,在制作极片过程中,当提高活性物质载量时,会出现极片掉粉严重的现象以及倍率性能较差的问题。
因此,为了促进柔性水系二次电池体系的发展,开发不溶于水的、粘结性好的导电粘结剂是其中的关键所在。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的不溶于水的粘结剂仍然存在粘结性有限以及不导电等问题缺陷,从而提供一种导电粘结剂及其制备方法和应用。
为此,本发明提供如下技术方案:
本发明提供一种导电粘结剂,具有如式I或式II所示结构:
其中,M1为一价金属;M2为二价金属;
m的取值范围为1-100,n取值范围为1-100,p的取值范围为1-100。
可选的,所述M1选自锂,钠,钾中的至少一种。
可选的,所述M2选自锌,镁,钙,铜,锰中的至少一种。
本发明还提供一种上述的导电粘结剂的制备方法,合成路线包括:
和/或,还包括步骤(2):
可选的,所述化合物(u)的合成路线为:
和/或,所述合成化合物(u)的合成反应包括以下步骤:将化合物(t),化合物(h)和化合物(o)混合,与含季铵卤化物和碱金属碳酸盐的溶剂混合,加入四(三苯基磷)钯在保护气氛下回流反应1-3天,分离,得到化合物(u);
和/或,所述化合物(t),化合物(h)和化合物(o)三者的摩尔比为m:p:n;
和/或,以化合物(t)的质量计,四(三苯基磷)钯的用量为0.09-0.11g/g;
和/或,溶剂中季铵卤化物的含量为200-500 uL/g,碱金属碳酸盐的含量为1M-3M;
和/或,所述碱金属碳酸盐为碳酸钠,碳酸锂,碳酸钾中的至少一种;
和/或,所述溶剂为非质子溶剂;
和/或,所述溶剂为四氢呋喃。
可选的,所述步骤(1)的反应包括以下步骤:将化合物(u)与一价金属的氢氧化物水溶液混合,在50℃-100℃下反应12h-24h,分离,得到式I所示化合物;
和/或,化合物(u)与一价金属的氢氧化物的摩尔比为1:2;
和/或,所述一价金属的氢氧化物的水溶液的质量浓度为1M-3M;
和/或,所述一价金属的氢氧化物选自氢氧化钠,氢氧化钾,氢氧化锂。
可选的,所述步骤(2)的反应包括如下步骤:
将式I所示化合物与二价金属的可溶性盐进行离子交换反应,得到式II所示化合物;
或者,将式I所示化合物水解,脱掉酯基,与二价金属的氧化物反应,得到式II所示化合物。
可选的,所述式I所示化合物与二价金属的可溶性盐的摩尔比为1:1;
和/或,所述式I所示化合物与二价金属的可溶性盐的反应温度为50℃-100℃,反应时间为12h-24h;
和/或,所述二价金属的氧化物为氧化锌、氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铜中的至少一种。
可选的,将式I所示化合物在酸性条件下,在50℃-100℃反应,时间为12h-24h;然后加入二价金属的氧化物,酸碱中和即可,常温反应12h-24h。
和/或,所述式I所示化合物与二价金属的氧化物的摩尔比为1:1;
和/或,所述二价金属的氧化物为氧化锌、氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铜中的至少一种。
可选的,所述化合物(t)的合成路线为:
和/或,所述化合物(t)的合成方法为,将化合物(r)和化合物(s)加入到含醋酸盐(典型非限定性的,所述醋酸盐为醋酸钾)的溶剂中,在 [1,1'-双(二苯基膦基)二茂铁]二氯化钯存在和保护气氛下,90℃反应5h,分离,得到化合物(t);
和/或,所述含醋酸钾的溶剂中醋酸钾的物质的量为化合物(r)的两倍;
和/或,所述含醋酸钾的溶剂中,溶剂为非质子溶剂;
和/或,所述含醋酸钾的溶剂中,溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
本发明还提供一种上述的导电粘结剂或上述的制备方法制备得到的导电粘结剂在水系离子电池中的应用。
具体地,本发明合成过程中所用的原料可以通过市售渠道获取,也可通过自制合成得到。
例如,化合物(t)采用自制合成得到时,本发明提供的导电粘结剂的具体地合成路线包括:
(9)
可选的,还包括步骤(11):
其中,X选自F,Cl,Br,I。
进一步可选的,对应上述合成路线的具体合成方法可以包括如下步骤:
(1)首先取噻吩-3-羧酸和DCM(二氯甲烷)置于烧瓶中。冰水浴冷却后,加入草酰氯。反应物在室温下搅拌过夜,得到澄清溶液。溶剂蒸发后,得到无色固体产物(噻吩-3-羰基氯),化合物(c)。该反应的产率为90%左右。
(2)首先将噻吩-3-羰基氯溶解在DCM中;再取圆底烧瓶,二乙胺与DCM混合,冰浴冷却;然后滴加噻吩-3-羰基氯的DMC溶液。加入所有溶液后,取出冰浴,室温下搅拌反应物30分钟。然后用水洗涤反应物数次,用无水硫酸钠(Na2SO4)干燥有机层。脱去溶剂后,在真空下蒸馏提纯粗产物,得到淡黄色油状产物,化合物(e)。该反应的产率为91%左右。
(3)2,5-二溴-N,N-二乙基噻吩-3-酰胺的合成如下:首先将N,N-二乙基噻吩-3-酰胺溶解于DMF中, 然后慢慢添加N-溴代二酰亚胺,并在室温下搅拌5h。最后将溶液倒入盐水中,用乙醚提取。将收集到的有机相用盐水洗涤数次,去除DMF,用MgSO4干燥,减压蒸馏,得到黄油类原油。粗产物以正己烷+乙酸乙酯为洗脱剂,硅胶柱层析纯化,得到黄色粘稠油,化合物(g)。收率为95%左右。
(4)首先,将上述合成的2,5-二溴-N,N-二乙基噻吩-3-酰胺放入干燥的烧瓶中。充入惰性气体后,注入干乙醚,降温至-78℃,滴加正丁基锂。然后将混合物加热至室温,继续搅拌2 h,然后用饱和氯化铵溶液淬灭反应,得到黄色沉淀,化合物(h)。用水冲洗几次,真空干燥。
(5)合成2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)-4-甲基苯磺酸盐:首先将2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙醇(化合物(i))和4-甲基苯-1-磺酰氯(TsCl)搅拌溶解在四氢呋喃中,冰浴冷却到0℃。向反应混合物中加入NaOH溶液和水。将混合物逐渐加热到室温,并搅拌12h。反应完成的溶液用碳酸氢钠水溶液洗涤,然后用二氯甲烷萃取,水洗,MgSO4干燥,过滤,粗产物经乙酸乙酯/石油醚硅胶层析纯化,得到无色液体,化合物(j)产率大约为90%。
(6)2,7-二溴-9,9-二(2-(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙基) 的合成:2,7-二溴芴(化合物(k))置于圆底烧瓶中,使用干燥的THF溶液溶解。室温下,在氮气气氛保护下,将氢氧化钠缓慢加入搅拌的THF溶液中,85℃下回流4h。将2 -(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基-4-甲基苯磺酸(化合物(j))溶于干燥的四氢呋喃中,并将其滴加到回流的溶液中。将混合物回流12h,然后冷却至室温,加入蒸馏水,用二氯甲烷萃取三次。有机层用饱和NaCl溶液和蒸馏水洗涤,用MgSO4干燥。通过减压旋蒸去除溶剂。粗产物经乙酸乙酯/石油醚柱层析进一步纯化,得到淡黄色固体,化合物(o),产率53%左右。
(7)2,7-二溴-9,9-二(3-丙酸叔丁酯)的合成:将2,7-二溴芴和四丁基溴化铵加入到甲苯溶液中。室温搅拌1h后,滴加丙烯酸叔丁酯。在室温下搅拌超过12h,然后用二氯甲烷稀释,用水洗三次。得到的有机溶液用MgSO4干燥,并在减压下浓缩。粗产物经柱层析(二氯甲烷/己烷)进一步纯化,得到白色固体,化合物(r),收率为56%左右。
(8)2,7-二(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂硼-2-基)-9,9-二(3-丙酸叔丁酯) 的合成:加入化学物r加入到 DMF中,然后按照1:1加入双联频哪醇基二硼,并加入少量醋酸钾(KOAc)。烧瓶经三次冷冻泵-解冻循环脱气,然后在氮气气氛下快速加入Pd(dppf)2Cl2催化剂。将混合物在90℃下反应5 h,冷却后倒入水中,用二氯甲烷萃取。有机溶液用水洗涤,用MgSO4水溶液干燥,减压蒸馏浓缩。残渣经柱层析(乙酸乙酯/正己烷)进一步纯化,得到白色产物,化合物(t),收率91%。
(9)聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)的合成: 将上述合成的化合物(t),化合物(h)和化合物(o)混合;然后将季铵氯化物滴加入四氢呋喃中, 2M Na2CO3加入舒伦克(Schlenk)烧瓶中。通过三次冷冻泵-解冻循环除气,然后快速加入[Pd(PPh3)4],并在氮气气氛下剧烈搅拌回流3天。待混合物冷却后,用甲醇沉淀三次,过滤,真空干燥,得到收率为85%左右的聚合物,化合物(u)。
(10)然后将上述材料聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)在碱性LiOH、NaOH或者KOH水溶液中加热水解脱掉酯基可得聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)-Li、聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)-Na或者聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)-K聚合物盐。
以上三种聚合物盐具有良好的粘结性能、导电和导离子性能(1.4×10-3 S cm-1),以及非常高的离子迁移数(0.78),可分别应用于锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池体系中。
(11)然后将步骤(10)得到的聚合物盐在ZnSO4溶液中进行离子交换,然后过滤,真空烘箱烘干即可得到聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)-Zn聚合物盐。
或者,将上述材料聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)在酸性的HCl或者稀硫酸溶液中加热水解脱掉酯基可到聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)氟](PF-COOBu)-H;然后加入ZnO搅拌过夜,过滤,真空烘箱烘干即可得到聚[9,9-二(3-叔丁基丙酸酯)](PF-COOBu)-Zn聚合物盐。
该聚合物盐不溶于水,具有良好的粘结性能、导电和导离子性能(1.4×10-3 S cm-1),以及非常高的离子迁移数(0.78),可应用于水系电池体系中,包括但不限于水系锌离子电池体系。
本发明技术方案,具有如下优点:
本发明提供的具有特定结构的导电粘结剂,不溶于水,能在水里稳定存在,能够应用于水系离子电池体系中;并且具有增强的粘结性与导电性以及导离子性,能够使水性离子电池在保持原来柔性特性的基础上更好的发挥电池容量。与商业化不导电的PVDF粘结剂相比,使用本发明提供的导电粘结剂的电池具有更小的阻抗,更好的导电性;具有更小的电压极化,更高的电池充放电容量,更稳定的循环性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明测试例测试得到的阻抗谱;
图2是本发明测试例测试得到的第5圈充放电曲线图;
图3是本发明测试例测试得到的循环性能曲线。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明,并不局限于所述最佳实施方式,不对本发明的内容和保护范围构成限制,任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品,均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者,按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法为:
(1)将4.26 g 化合物r,3.4g KOAc和4.8 g双联频哪醇基二硼的混合物加入30 mLDMF中。烧瓶经三次冷冻泵-解冻循环脱气,然后在氮气气氛下快速加入160 mg Pd(dppf)2Cl2催化剂。将混合物在90℃下反应5 h,冷却后倒入水中,用二氯甲烷萃取。有机溶液用水洗涤,用MgSO4水溶液干燥,减压蒸馏浓缩。残渣经柱层析(乙酸乙酯/正己烷1:2)进一步纯化,得到白色产物,收率91%。
(2)将上述合成的0.582 g 2, 6-二溴苯并 [1、2 b; 4、5 b] 二噻吩-4,8-二酮,0.680g 2,7-二溴-9,9-二(2-(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙基)和0.76 g 2,7-二(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂硼-2-基)-9,9-二(3-丙酸叔丁酯)混合;然后将300 uL季铵氯化物(甲基三烷基氯化铵(C25H54ClN),ADOGEN(R)464)滴加入13 mL四氢呋喃中和5 mL 2 MNa2CO3加入烧瓶中。通过三次冷冻泵-解冻循环除气,然后快速加入0.057 g [Pd(PPh3)4],并在氮气气氛下剧烈搅拌回流3天。待混合物冷却后,用甲醇沉淀三次,过滤,真空干燥,得到收率为85%的聚合物。
(3)然后将2g上述产物在100mL浓度为2 M的碱性LiOH水溶液中加热80℃水解24h,脱掉酯基可得聚合物锂盐。
实施例2
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法同实施例1,区别在于:
(3)然后将2g上述产物在100mL浓度为2 M的碱性NaOH水溶液中加热加热80℃水解24h,脱掉酯基可得聚合物盐。
实施例3
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法同实施例1,区别在于:
(3)然后将2g上述产物在100mL浓度为2 M的碱性KOH水溶液中加热80℃水解24h,脱掉酯基可得聚合物盐。
实施例4
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法同实施例1,区别在于:
(3)然后将2g上述产物在100mL浓度为3 M的碱性KOH水溶液中加热50℃水解12h,脱掉酯基可得聚合物盐。
实施例5
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法同实施例1,区别在于:
(3)然后将2g上产物在100mL浓度为1 M的碱性KOH水溶液中加热100℃水解24h,脱掉酯基可得聚合物盐。
实施例6
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法为:
按照实施例1是方法制备聚合物锂盐,将5g聚合物锂盐和50 mL浓度为3 mol/L的ZnSO4溶液混合,在80℃进行离子交换12h 三次,然后过滤,真空烘箱烘干即可得到聚合物锌盐。
实施例7
本实施例提供一种导电粘结剂,其具体制备方法为:
按照实施例1是方法制备聚合物锂盐,将5g聚合物锂盐在50 mL体积浓度为90%的HCl中水解8h脱掉酯基;然后加入物质的量相当的ZnO 常温下搅拌过夜,过滤,真空烘箱烘干即可得到聚合物锌盐。
测试例
1、使用上述实施例制备得到的导电粘结剂和市售PVDF分别制备极片,并组装电池,测试得到对应的电池阻抗谱,充放电曲线以及循环性能。其中,极片的制备方法为:该活性物质、导电炭黑、导电粘结剂比例为7:2:1均匀混合后涂布在导电碳纸上,80℃烘干6h;电解液为3 M ZnSO4+0.1 M MnSO4水溶液; 电池的组装方法为:使用铝塑膜、极耳、纤维素隔膜以及上述制备好的电极极片组装软包电池;电池阻抗谱的测试条件为:106-10-1 Hz.;充放电曲线的测试方法为:恒流充放电,电压区间为1.8V-1.0V;循环性能的测试方法为:恒流充放电,电压区间为1.8V-1.0V。
使用本发明实施例1提供的导电粘结剂与使用普通不导电的PVDF对比,相应的阻抗谱,充放电曲线以及循环性能如图1-3所示。本发明实施例2-7与实施例1的结果相近,不再一一展示。
由图1可以看出,与使用普通不导电的PVDF相比,使用本发明提供的导电粘结剂的电池具有更小的阻抗,更好的导电性。
由图2的第5圈充放电曲线也能看出,与使用普通不导电的PVDF相比,使用本发明实施例1提供的导电粘结剂的电池具有更小的电压极化,更高的电池充放电容量。
由图3的循环性能曲线也能看出,与使用普通不导电的PVDF相比,使用本发明实施例1提供的导电粘结剂的电池具有更高的电池放电容量,更稳定的循环性能。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
3.根据权利要求2所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述化合物u的合成路线为:
所述化合物u的合成反应包括以下步骤:将化合物t,化合物h和化合物o混合,与含季铵卤化物和碱金属碳酸盐的溶剂混合,加入四(三苯基磷)钯在保护气氛下回流反应1-3天,分离,得到化合物u;
上述化合物u的合成满足以下(1)-(6)中的至少一项:
(1)化合物t,化合物h和化合物o三者的摩尔比为m:p:n;
(2)以化合物t的质量计,四(三苯基磷)钯的用量为0.09-0.11g/g;
(3)溶剂中季铵卤化物的含量为200-500 uL/g,碱金属碳酸盐的含量为1M- 3M;
(4)碱金属碳酸盐为碳酸钠,碳酸锂,碳酸钾中的至少一种;
(5)溶剂为非质子溶剂;
(6)溶剂为四氢呋喃。
4.根据权利要求2所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,满足以下(1)-(4)中的至少一项:
(1)所述步骤(1)的反应包括以下步骤:将化合物u与一价金属的氢氧化物水溶液混合,在50℃-100℃下反应12h-24h,分离,得到式I所示化合物;
(2)化合物u与一价金属的氢氧化物的摩尔比为1:2;
(3)一价金属的氢氧化物的水溶液的质量浓度为1M-3M;
(4)一价金属的氢氧化物选自氢氧化钠,氢氧化钾,氢氧化锂。
5.根据权利要求3所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)的反应包括如下步骤:
将式I所示化合物与二价金属的可溶性盐进行离子交换反应,得到式II所示化合物;
或者,将式I所示化合物水解,脱掉酯基,与二价金属的氧化物反应,得到式II所示化合物。
6.根据权利要求5所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述式I所示化合物与二价金属的可溶性盐的摩尔比为1:1;
和/或,所述式I所示化合物与二价金属的可溶性盐的反应温度为50℃-100℃,反应时间为12h-24h;
和/或,所述二价金属的氧化物为氧化锌、氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铜中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,将式I所示化合物在酸性条件下,在50℃-100℃反应,时间为12h-24h;然后加入二价金属的氧化物,酸碱中和即可,常温反应12h-24h;
和/或,所述式I所示化合物与二价金属的氧化物的摩尔比为1:1;
和/或,所述二价金属的氧化物为氧化锌、氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铜中的至少一种。
9.一种权利要求1所述的导电粘结剂或权利要求2-8任一项所述的制备方法制备得到的导电粘结剂在水系离子电池中的应用。
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