[发明专利]一种基于蒽醌的有机聚合物及制备方法和作为锂离子电池正极材料的应用

说明书

本发明涉及一种基于蒽醌的有机聚合物及制备方法和作为锂离子电池正极材料的应用。聚合物为聚[降冰片烯2,3‑二甲基醇二(蒽醌2‑羧酸)酯]；由5‑降冰片烯‑2,3‑二甲醇与2‑羧基蒽醌在4‑二甲氨基吡啶和1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐的催化作用下，得到纯单体；单体溶解于良溶剂中，加入催化剂聚合反应用乙烯基乙醚终止；得到聚合物；合成简便，原料廉价易得。该聚合物电极应用于锂电池的正极材料，在较高的倍率(1C)下，循环450圈后，容量保持率高达96％，稳定性大为提升；在5C的电流密度下，比容量可达145mAh/g，表现出优良的倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池有机电极材料技术领域，特别涉及一种基于蒽醌的有机聚合物及制备方法和作为锂离子电池正极材料的应用。

背景技术

锂离子电池作为一种当前能量密度最高的能量存储器件，已经广泛应用于社会生活的方方面面，尤其是在便携类电子产品方面的应用。锂离子电池目前所用的正极材料是金属氧化物或磷化物等，例如LiCoO₂、LiFePO₄以及镍钴锰三元材料等。随着电动汽车以及智能电网等的高速发展，寻求高能量密度且廉价的大规模储能系统是满足市场需求的必经之路。贵金属化合物作为正极材料在锂电池的大规模使用过程中，存在着成本高，对环境压力大且比容量难以进一步提高的缺点。有机电极材料由于由含量丰富的C、H、O、N、S等元素组成，具有成本低廉、合成条件温和、结构丰富且可调、弃置后对环境影响小等优点，成为当前学术界和产业界的研究热点，有望可以替代当前的无机电极材料，尤其是成为下一代有机电池的正极材料。

然而，有机电极材料，尤其是小分子电极材料，一般而言，存在循环稳定性差的缺点，这是由于相比于金属化合物中强离子键作用，有机小分子间较弱的分子间作用力使得活性分子更溶于被电解质溶剂溶解。而聚合物，尤其是高分子量聚合物，由于链缠结的存在，溶解性都会大大降低，因此，一般而言，聚合物电极材料的充放电循环稳定性会得到很大提高。另外，当前有机电极材料，无论是小分子化合物还是聚合物，都存在导电性差的问题，使得有机电极材料的倍率性能不够理想，这限制了它们在某些领域的实际应用。提高循环稳定性和倍率性能是当前有机电极材料发展的重要方向。

发明内容

本发明针对以上问题和需求，设计合成出了一种基于蒽醌的高分子量聚合物。该聚合物单体的合成简便；聚合反应高效，转化率为100％。通过与高导电性的石墨烯复合，可制备出均匀的聚合物有机电极。本发明制备得到的有机电极(聚合物-石墨烯复合)作为锂金属电池(半电池)的正极材料表现出高稳定性和高倍率的电化学特性。

本发明的技术方案如下：

一种基于蒽醌的有机聚合物：聚[降冰片烯2,3-二甲基醇二(蒽醌2-羧酸)酯]；其特征是结构式如下：

其中n＝300-500；

核磁氢谱表征：¹H NMR(CDCl₃,298K)δ:8.89(d,2H),8.43(dd,2H),8.35(d,2H),8.33-8.31(m,2H),8.28-8.26(m,2H),7.82(m,4H),6.33(s,2H),4.72-4.68(m,2H),4.48-4.43(m,2H),2.94(s,2H),2.25(m,2H),1.70(d,2H),1.54(d,2H)ppm。

本发明的一种基于蒽醌的有机聚合物制备方法；包括如下步骤：

(1)单体合成：在惰性气氛下，5-降冰片烯-2,3-二甲醇与2-羧基蒽醌在4-二甲氨基吡啶和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的催化作用下，在良溶剂中下反应；反应完成后，萃取，干燥，过滤，浓缩，柱色谱分离，得到纯单体；其中上述四种药品的加料量摩尔比依次为1:2.2-3:0.15-0.3:2.5-4；