[发明专利]一类快速充放电正极活性材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一类快速充放电正极活性材料，采用的酰亚胺类小分子在苯环平面上的π‑π堆积使得其具有良好的导电性以及在大多数常见有机溶剂中难以溶解的特性，是一种十分具有潜力的离子电池正极材料；本发明通过草酰胺与四甲酸二酐小分子反应形成聚合物，聚合物的合成能有效降低在电解质中的溶解性并提高循环稳定性；此外，通过在单体间引入了额外的羰基，分子间羰基的堆叠形成了新的离子传输通道，大幅度提高了离子的传输效率，由此大幅度提高所制备碱金属离子电池的循环性能和倍率性能。该类酰亚胺聚合物的化学结构式如下：

技术领域

本发明属于碱金属离子电池电极活性材料技术领域，具体涉及一类快速充放电正极活性材料及其制备方法和在碱金属离子电池中的应用。

背景技术

随着石油等能源逐渐枯竭，新能源的开发与存储逐渐成为社会关注的焦点。锂离子电池凭借其优良性能已普遍应用于各种小型电子器件和电动车辆中作为能量储存设备。然而，自然界中锂元素的含量有限，随着不间断的开采，其售价日益增高。与锂元素同在第一主族的钠元素与钾元素不但有着与锂元素相似的化学性质，而且在地壳中有着远超锂的储量，因此钠离子电池和钾离子电池同样有着不可忽视的应用前景。由于有着相似的化学性质和相同的最外层电子数目，一种电极材料可以同时应用于三种不同的碱金属离子电池。

表征离子电池性能的参数主要有三个：比容量、循环性能和倍率性能。在已有的许多研究中，比容量高于150mAh/g的有机正极材料已数见不鲜，但这些材料的循环性能一般不高，在不到200次的充放电循环内便会发生非常明显的衰减，并且在1A/g以上的电流密度下在经过数十次充放电循环后比容量就很难维持在100mA h/g以上。其主要原因在于这些材料的分子量一般都不大，在充放电过程中参加氧化还原反应时不太稳定，容易溶解在电解质中。

据研究表明，具有共轭结构的酰亚胺类小分子因其在分子间进行π-π堆积，具有良好的导电性和在有机溶剂中的难溶解特性，更兼较高的理论比容量，是一种理想的碱金属离子电池正极活性材料。随着酰亚胺基团间苯环数目的增加，分子共轭程度不断加强，其导电能力和循环稳定性也随之增强，但其理论比容量会随着分子量的增加而减小。此外，离子通道的形成有利于离子在活性材料中的扩散，最终体现在降低电池比容量在高电流密度下的衰减。另外一种有效提高循环性能和倍率性能的方法则是构造共价有机网络来抑制乃至消除在电解质中的分解和提供更为快捷的离子扩散通道，然而这种具有共价有机网络结构的电极材料通常比容量并不高。就目前而言，普遍认为四羧酸酰亚胺分子中虽然有四个羰基活性位点，但在实际反应过程中过多的钠离子嵌入会增加结构中能量密度而造成结构破坏，故而一般最多只有两个羰基能发生稳定、可逆的氧化还原反应，活性位点的利用率一般低于50％。