用于钠离子电池的磺化聚苯并噻唑基阴极材料及其制备方法技术

本发明专利技术设计钠离子电池阴极材料制备研究领域，提供了用于钠离子电池的磺化聚苯并噻唑基阴极材料及其制备方法。通过对不同主链结构的设计与合成，将具有新型结构的磺化聚苯并噻唑首次用作钠离子电池的阴极材料，依次来增加钠离子电池的电循环和充放电性能。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术所提供的钠离子电池阴极材料的制备过程，原料价廉易得，无毒无害；反应过程操作简单，反应温度平稳温和，易于控制。本发明专利技术所生产的sPBT有机聚合物，设计合理，结构新颖，并首次在钠离子电池阴极材料方向进行运用。将砜和醚单元并入sPBT

【技术实现步骤摘要】
用于钠离子电池的磺化聚苯并噻唑基阴极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钠离子电池的阴极材料及其制备方法，特别是磺化聚苯并噻唑基阴极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钠离子电池作为一种能量密度高、产能丰富、成本低的环保储能器件，成为了近些年来大规模储能装置的研究热点。阴极作为一个重要的部件，其材料的选用对钠离子电池的性能优劣具有重大的影响。目前，基于氧化还原反应的有机电极材料具有成本低、结构多样、资源丰富和环境友好等特点，有望成为下一代高性能阴极材料。与无机材料相比，无论金属离子的半径如何，有机材料都适用于更大的元素吸收和反应动力学。有研究表明，将NH、S、Cl、
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OH等单元通过硫代聚合物、苯醌、聚羰基和羟基有机化合物等掺入聚合物主链中可以增加钠离子电池的电循环和充放电性能。因此，设计并合成新型结构的聚合物作为阴极材料，对提升钠离子电池的综合性能具有重要意义。
[0003]磺化聚苯并噻唑（sPBT）是一类具有良好的机械性能，优异的热稳定性和氧气稳定性，高质子导电性的高性能聚合物。sPBT目前常被用作制备质子交换膜，其在钠离子电池阴极材料方面的应用尚未尝试，因此，设计具有特定单元结构的sPBT作为钠离子电池的阴极材料可能显示出良好的性能。
[0004]针对以上所述，提出新型磺化聚苯并噻唑基钠离子电池阴极材料及其制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供磺化聚苯并噻唑基钠离子电池阴极材料及其制备方法。首先是通过直接缩聚法合成sPBT，其重复单元结构如下所示：X的结构由对应的磺化芳香二元羧酸产生，根据所选择的磺化芳香二元羧酸单体的不同，其中sPBT结构中包含一种及以上X结构，下式列举了不同的X结构和其对应的磺化芳香二元羧酸单体，本专利技术以含砜基团的sPBT作为说明，即选用的磺化芳香二元羧酸单体为4,4'
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磺酰基双(2
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磺基苯甲酸)。
[0006]其次，将sPBT与导电剂和粘合剂均匀混合后制备sPBT阴极材料。
[0007]本专利技术提供的sPBT阴极材料的制备方法，包括如下制备步骤：
（1）sPBT的制备：采用直接缩聚法，将2，5
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二氨基
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1，4
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苯二硫酚二盐酸盐（DABDT）、4, 4
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二羧基二苯醚（PE）和4,4'
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磺酰基双(2
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磺基苯甲酸) (SFSA)进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后干燥即得sPBT。
[0008]（2）sPBT阴极材料（sPBT
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CM）的制备：将sPBT研磨成粉末后与导电剂、粘合剂混合后，经超声、涂覆、真空干燥、裁剪，即得sPBT
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CM。
[0009]（3）优选地，步骤（1）中，SFSA物质的量浓度为55%；盐浸使用的溶液为5 wt %的Na2CO3溶液，浸泡时间为12 h；干燥方式为真空干燥，干燥温度为100 ℃，干燥时间为24 h。
[0010]（4）优选地，步骤（2）中，导电剂选用的是导电炭黑（Ketjen Black），粘合剂选用的是质量浓度为5%的聚偏二氟乙烯（PVDF）溶液。
[0011]（5）优选地，步骤（2）中，5%的PVDF溶液中，PVDF与N
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甲基吡咯烷酮（NMP）的质量比为1:19；sPBT、导电剂、粘合剂的质量比为6:3:1。
[0012]（6）优选地，步骤（2）中，超声处理的功率值为1200 W，90%能量输出值下超声20 min；涂覆材料为铝箔；真空干燥温度为60 ℃，干燥时间为12 h；裁剪尺寸为直径12 mm的圆片。
[0013]本专利技术提供的钠离子电池阴极材料的制备方法与现有技术相比具有以下进步：（1）本专利技术所提供的钠离子电池阴极材料的制备过程，原料价廉易得，无毒无害；反应过程操作简单，反应温度平稳温和，易于控制。
[0014]（2）本专利技术所提供的方法生产的sPBT有机聚合物，设计合理，结构新颖，并首次在钠离子电池阴极材料方向进行运用。
[0015]（3）本专利技术所提供的钠离子阴极材料的制备方法，将砜和醚单元并入sPBT
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SE聚合物主链中，砜、醚和大量苯并噻唑单元均有效提高了阴极的充放电循环寿命，并表现出优异的充放电循环稳定性和Na
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的高可逆性。
附图说明
[0016]本专利技术合成的sPBT的化学结构通过1H NMR得到了证实；sPBT的晶体结构通过XRD得到了分析；sPBT的形貌通过SEM得到了观察；图1为实施例一中所制得的sPBT的1H NMR谱图；图2为实施例一中所制得的sPBT的XRD谱图；图3为实施例一中所制得的sPBT的SEM图；图4为实施例二中所制得的sPBT
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CM的循环性能图。
具体实施方式
[0017]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0018]实施例一：（1）sPBT的制备：将多聚磷酸（PPA）（15g，80%）加入带有N2出入口和机械搅拌器的三口烧瓶中，随后，将DABDT（0.45g）加入到烧瓶中并在室温下搅拌12 h，然后在70 ℃下继续反应24 h，以完全除去HCl。然后将SFSA（0.5152 g）和PE（0.2133 g）加入到混合物中并在
100 ℃下反应8 h。完全冷却后，将P2O5（3.8g）加入烧瓶中并在120 ℃下反应2 h，然后再将另一部分P2O5（2.23g）加入到反应体系中，并在120 ℃下再搅拌10 h。随后按照如下温度和时间进行反应，在120 ℃下反应12 h，在150 ℃下反应12 h，在170 ℃下反应12 h，在190 ℃下反应17 h，在210 ℃下反应17 h。反应完成后，将混合物倒入去离子水中，得到丝状棕色产物，过滤后在5 wt%的Na2CO3溶液中浸泡12小时，多次洗涤至pH=7，在100 ℃下真空干燥24 h，得到sPBT聚合物。
[0019]通过直接缩聚法，将DABDT、SFSA和PE在PPA中缩聚合成了磺化聚苯并噻唑(sPBT)。如图1所显示sPBT的1H NMR光谱可以看出，sPBT的H元素与其对应的信号峰在图中得到了很好的分配。同时，H4和H4'的信号峰呈双峰态，这可能是由于苯并噻唑单元中两个氢原子的化学环境不同（磺化与非磺化）所致。1H NMR谱证实了sPBT的化学结构，sPBT成功制得。如图2所示，sPBT的XRD光谱在23.7
°
处仅出现一个低结晶度的宽峰，这归因于聚合物主链的周期性平行，表明sPBT是一种无定形聚合物。如图3所示，sPBT显示出叠加的片层状形态，这种形态可以提高阴极的储Na
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能力，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于钠离子电池的磺化聚苯并噻唑基阴极材料，其特征在于：通过在主链中引入不同类型的结构单元，以合成具有平行结构的磺化聚苯并噻唑，将其用于阴极材料，以提高钠离子电池的电循环和充放电性能；X的结构如下：磺化聚苯并噻唑的重复结构单元中包含一种及以上X结构。2.用于钠离子电池的磺化聚苯并噻唑基阴极材料的制备方法，其特征在于：采用直接缩聚法将不同的结构单元并入到磺化聚苯并噻唑的主链上，具体步骤如下：sPBT的制备：采用直接缩聚法，将2，5
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二氨基
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1，4
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苯二硫酚二盐酸盐（DABDT）、4, 4
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二羧基二苯醚（PE）和4,4'
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磺酰基双(2
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磺基苯甲酸) (SFSA)进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后干燥即得sPBT；sPBT阴极材料（sPBT
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CM）的制备：将sPBT研磨成粉末后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，杨帅，朱丽敏，曹晓雨，卢明霞，白红娟，王飞飞，华冰艳，丁囿池，陈军航，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：