[发明专利]用于锂电池电极材料的多羰基化合物修饰的氧化石墨烯及其制备方法

说明书

本发明作为锂电池电极材料的多羰基化合物修饰的氧化石墨烯及其制备方法，属于锂电池电极材料的制备领域。将多羰基化合物，氧化石墨烯和二环己基碳二亚胺，置于有机溶剂中，在一定温度下，反应一段时间后，再降温，过滤，洗涤，得到多羰基化合物修饰的氧化石墨烯。所得多羰基化合物修饰的氧化石墨烯用于制备锂电池电极材料具有高的比容量和优良的循环稳定性。该发明方法工艺简单、成本较低、能耗低、重现性好、性能优异，适于工业生产。

技术领域

本发明属于锂电池电极材料的制备领域，特别涉及多羰基化合物修饰的氧化石墨烯及其制备方法。

背景技术

经济的繁荣、科学技术的进步、可持续发展的理念都要求我们寻找环保能源，以取代日益枯竭的化石能源。对清洁能源如太阳能和风能的渴望，已经促进了储能系统的发展，特别是可充电锂离子电池。锂离子电池由于它的长的循环寿命、高的能量密度和高的效率，在电池领域中是前沿技术。有许多研究致力于发现新型材料来提高锂离子电池的性能。其中，在正极材料方面，大量的工作集中于无机电极材料，例如LiCoO₂、LiMn₂O₄和LiFePO₄。然而它们的容量远不能满足未来对能量的需求，从而导致了进一步开发锂离子电池瓶颈的产生。另一方面，在未来几十年间，如果所有汽车都依赖于电动发动机，我们将面临化石燃料等能源供应不足的挑战。因此，有人提议从自然资源中制备电极材料，就像燃料电池使用的甲醇和氢气来自于生物质(Nature,2008,451,652-657)。使用从生物质中合成的电化学活性有机材料用于锂离子电池是个好的选择(Chemical Communications,2009,5,448-450.)。

在过去的几十年里，许多有机化合物已经被作为锂离子电池正极材料研究(Energy&Environmental Science,2013,6(8):2280-2301.)。导电有机聚合物、有机硫化合物、自由基化合物和羰基化合物(Journal of Power Sources,2016,328,228-234.)是四个主要的有机材料。其中，羰基化合物由于其快速的动力学和高的容量被认为是最有应用前景的锂离子电池的正极材料(Chemical Science,2013,4,1330-1337；Advanced EnergyMaterials,2015,5,1402034)。不幸的是，在大部分案例中，这些正极材料在有机电解液中通常展现出差的循环性能和差的导电性。为了解决溶解问题，人们已经提出了很多方案包括聚合小分子羰基化合物(J.Am.Chem.Soc.,2015,134,19694-19700.)、采用固态电解质(J.Power Sources,2013,221,186–190)，优化分子结构(Nat.Mater.,2011,10,947-951)。除了上面说的那些方法外，构建碳支持的有机复合材料是一个很好的途径，这能够同时解决上述的两个主要问题(Advanced Materials,2014,26,2558-2565；Carbon,2017,116,154-166)，但这些文献(Carbon,2017,116,154-166)中报道的合成方法比较繁琐,所得材料作为锂离子电池正极材料的性能一般。石墨烯和氧化石墨烯基材料作为碳基材料已经在科学界已经引起了相当大的兴趣由于它们优越的电化学和机械属性，同时它们也被应用于许多领域：锂离子电池、太阳能电池、钠离子电池和复合材料等。为了解决羰基化合物的溶解问题和保证在电化学反应中的电子的快速转移，我们提出了一种构建碳支持的有机复合材料的新途径，利用N,N’-二氨基-1,4,5,8-萘四酰亚胺或2,6-二氨基蒽醌和氧化石墨烯之间通过酰胺键连接，合成了N,N’-二氨基-1,4,5,8-萘四酰亚胺或2,6-二氨基蒽醌修饰的氧化石墨烯(材料A/DNTCB-GO；材料B/DAAQ-GO)，并将其作为锂离子电池的有机正极材料。得到的DNTCB-GO和DAAQ-GO呈现出较高的容量，优异的循环性能和倍率性能。更重要的是，这种方便和优秀的设计方法可以扩展到将其它的多羰基化合物和氧化石墨烯(GO)结合，目的在于寻找更高容量和更好循环性能的有机正极材料以促进高性能锂电池的应用开发。

发明内容