[发明专利]一种基于偶氮类聚酰亚胺的新型钠离子电池有机负极材料

说明书

本发明涉及一种基于偶氮类聚酰亚胺的新型钠离子电池有机负极材料，包括利用含偶氮基团的酸酐化合物与具有电化学活性的二胺单体聚合，制备含偶氮基团聚酰亚胺电极材料，利用偶氮类基团的电化学活性与聚酰亚胺结构的稳定性，可作为钠离子电池负极电极材料，表现出较高的比容量及优异的长循环稳定性。

技术领域

本发明属于有机电极材料领域，特别涉及一种基于偶氮类聚酰亚胺的新型钠离子电池有机负极材料。

背景技术

目前，锂离子电池(LIBs)自上世纪90年进入市场以来，已经广泛应用在各个移动通讯领域之中。然而，锂资源的匮乏已经满足不了人类社会日益增长的需求，因而广大科研工作者致力于开发有望替代LIBs的能量存储系统。

钠作为锂的同主族元素，具有与锂相似的物理化学性质，且其在地壳中储量丰富(～2.74％)。此外，钠元素的标准氧化还原电位(-2.71V for Na⁺/Na)较为接近锂元素(-2.71V for Li⁺/Li)，钠离子电池(SIBs)有望替代LIBs能量存储系统并引发了较高的研究热潮。然而，目前钠离子电池的研究主要基于无机电极材料，此类材料受到资源有限，成本高等缺点的限制。因此，研发成本低廉，环境友好，安全性高和可持续的钠离子电池电极材料成为研究热潮。与无机电极材料相比，有机电极材料由轻质元素(C、H、O、N、S)组成，且结构多样，同时环境友好，成本低廉，受到科研工作者的广泛关注。

中国科学院长春应用化学所Zhan等人(Advanced Energy Materials,2014.4(7):1-7)通过选用不同酸酐和二胺单体，合成了一系列聚酰亚胺化合物，并探讨了其作为钠离子电池正极材料的应用。其中，基于苝四甲酸二酐的聚酰亚胺在经循环5000周容量保持率仍可达98％，氧化还原电压为2.2V。然而，由于引入了非电化学活性的二胺，导致汇报的一系列聚酰亚胺化合物虽具有优异的循环稳定性，但是容量均不太高。

武汉大学的Xu等人(Electrochemistry Communications,2015,60:117-120；Joural of Materials Chemistry A,2016.4(29):11491-11497)采用具有电化学活性的2,6-蒽醌二胺单体与不同酸酐合成了两种聚酰亚胺化合物，并作为钠离子电池正极材料。在50mA/g的电流密度下，此类聚合物表现出约200mAh/g的容量，且具有较为优异的循环稳定性。然而，该工作中其活性材料放电平台在2.2V左右，并不适合作为负极材料。

美国马里兰大学王春生教授等人(Advanced Materials,2018,30(23):1706498.1-1706498.9.)合成了一种基于偶氮基团(N＝N)的新型有机钠离子电池电极材料。偶氮基团可以作为与Na⁺可逆键合的电化学活性位点，在此工作中被作为钠离子电池负极材料。其中一种偶氮化合物在0.2C下的可逆容量为170mAh g^-1，在10C下循环1000次和20C下循环2000次分别保持可逆容量113mAh g^-1和98mAh g^-1，由于聚合物骨架在充放电过程中的结构变化，导致其循环后的容量保持率小于70％，不利于全电池整体性能的发挥。

因此，如何在结构单元上引入较多的活性位点，并兼具优异的循环稳定性和适宜的氧化还原电压，成为有机电极材料开发的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于偶氮类聚酰亚胺的新型钠离子电池有机负极材料，克服现有技术有机电极材料结构中无法兼顾高比容量和优异的循环稳定性的缺陷。本发明通过合成含偶氮基团的酸酐化合物，进一步与具有电化学活性的二胺单体聚合，制备一系列聚酰亚胺化合物。

本发明提供一种如结构式I所示的偶氮类聚酰亚胺，

其中R为：和/或n＝15～20。