[发明专利]一种基于相转换法制备的3;4;9;10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极

说明书

本发明公开了一种基于相转换法制备的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极，涉及柔性锂离子电池的复合材料领域，所述柔性有机电极由3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺作为有机活性物质、聚氨酯作为骨架基底，碳黑作为导电剂，通过相转移制备法复合而成的柔性自支撑电极。本发明的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极提高了电池的容量和循环稳定性，同时避免了由无机材料引起的环境污染问题。

技术领域

本发明涉及一种应用在柔性锂离子电池中的复合材料领域，尤其涉及一种基于相转换法制备的3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺柔性有机电极。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命与高工作安全性的特点，已经被广泛应用于多样化的电子设备。目前，柔性可穿戴电子设备和植入式传感器的快速发展，这对储能器件提出了新的要求——柔性。所以，研究新的柔性锂离子电池成为当下热点与难点，而且柔性的电池必须提供高的能量，功率密度大，弯曲性和良好的机械性能。很多研究都集中在柔性电极，集流体和固体电解质方面，其中研究的难点和重点在于柔性电极，尤其是柔性正极。

常见的制备柔性电极的方法有两种，第一种是将活性材料、聚合物粘结剂和导电剂混合以后涂在集流体上，第二种是将纳米结构的碳材料与活性材料混合后得到自支撑的电极。相比于第一种方法，第二种方法制备的自支撑电极不需要粘结剂和集流体，所以有着更高的能量密度和功率密度，比如说基于碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和碳布等制备过柔性自支撑电极。但是，已经报道的这些柔性电极通常采用像静电纺丝、磁共溅射等纳米制备方法，操作复杂、成本高昂且效率很低。而且在碳化过程中，碳材料可能会和活性物质如钴酸锂(LiCO₂)发生反应，造成电池性能的下降。对比于纳米制备方法，相转换法用于制备柔性电极更为简单、安全且成本低廉。例如2017年Bao Junjie采用了相转换法制备了基于聚氨酯和磷酸铁锂的柔性电极用于锂离子电池，容量可达150mAh g^-1(Journal of MembraneScience,2017,541,633)。但是无机材料存在一些缺点，矿产的开采以及加工等过程会引起较为严重的粉尘污染，且无机材料含有过渡金属元素，成本高昂且难以回收，会造成一定的环境污染，限制了其产业化前景。而有机电极材料可以从可再生的生物体中获取，使用后可自我降解，回到自然界中，转变为生物体的一部分，实现物质的循环利用，有机物作为锂离子电池的电极材料引起了业界的关注。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种通过采用操作步骤简单、制造成本低的相转换法来制备由有机分子代替无机材料构建的柔性有机电极用于锂离子电池中，该柔性有机电极不仅可以提高电池的容量和循环稳定性，同时也可以避免由无机材料引起的环境污染问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是采用操作步骤简单、制造成本低的相转换法来制备柔性有机电极用于锂离子电池中，提高电池的容量和循环稳定性，同时避免由无机材料引起的环境污染问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性有机电极，所述柔性有机电极由3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺作为有机活性物质、聚氨酯作为骨架基底，碳黑作为导电剂，通过相转移制备法复合而成的柔性自支撑电极。

进一步地，所述相转移制备法包含如下步骤：

(1)将所述聚氨酯先加入到N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌溶解得到溶液1，随后将所述3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺和所述碳黑加入所述溶液1中搅拌4小时得到溶液2；

(2)将步骤(1)中所述溶液2均匀涂在聚四氟乙烯板上，随后将所述聚四氟乙烯板浸没在去离子水中4小时，得到柔性有机电极前驱体；

(3)将步骤(2)所述的柔性有机电极前驱体经过真空干燥，得到可以直接组装到锂离子电池中的柔性有机电极。