CN113097480A - 一种羰基聚合物及其合成方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种羰基聚合物及其合成方法与应用，该羰基聚合物的结构如图1所示，其中，R、R′和R″为H、C1～50烷基直链或支化链，n＝1～10000。本发明的羰基聚合物具有合成成本低廉、氧化还原活性好、高比容量和高能量密度等优点，用作锂电池正极材料时，比容量可达到255mAh/g，工作电压区间为2.5～2.7V。本发明实现了研制一类理论生产成本低至0.48美元/g的低成本羰基聚合物，该聚合物展现出低至0.0017美分每100mAh的价格性能比，是目前所报道材料的最好水平，在锂电池电极材料领域具有良好的应用前景。

Description

一种羰基聚合物及其合成方法与应用
技术领域
本发明属于锂电池材料技术领域，具体涉及一种羰基聚合物及其合成方法与应用。
背景技术
由于全球对于能源的需求逐年增加，石油、煤炭等传统能源日益枯竭，而且出于保护地球生态环境的需要，“碳中和”发展理念在全球持续推进，因此越来越多的科学家将研究集中在新能源材料与器件相关的方面。
近年来，随着便携式智能可穿戴电子设备、电动新能源汽车等产业的加速发展，以锂离子电池(LIBs)为代表的新能源器件得到了研究人员的持续关注。目前，商业化锂离子电池电极材料主要为无机金属氧化物，例如LiCoO2，LiMn2O4和LiFePO4等，它们通常具有低的实际使用容量，并且这类材料为稀缺不可再生资源，不利于产业的长远可持续发展。有机材料被认为是非常有希望的替代品。有机电极材料具有多方面的性能优势：有机材料可以实现单位重量上的多活性位点，因而有机电极材料具有高容量；有机材料由地壳中储量丰富的有机元素(如C、H、O、N和S)组成，可以从生物质资源或通过温和的化学合成反应获得，廉价、环保，符合可持续发展的要求；与无机化合物相比，有机材料的分子结构可灵活调节以满足不同的电化学性能要求，完全放电时更安全，并且具有较高的环境相容性。有机材料还具有质轻、柔性、机械性能优良等特点，将有助于开发储能电池在便携式、可穿戴电子设备中的前沿应用。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种羰基聚合物及其合成方法。本发明的羰基聚合物可应用于锂电池电极材料领域，作为锂电池正极材料，具有合成成本低廉，氧化还原活性好，高比容量，高能量密度等优点。
为达到其目的，本发明所采用的技术方案为：
一种羰基聚合物，其具有如下结构式：
Figure BDA0002988483290000021
其中，R、R′和R″为H、C1～50烷基直链或支化链，n＝1～10000。
本发明还提供了一种所述羰基聚合物的合成方法，其包括：由香草醛和多胺基单体进行胺化氧化聚合反应制得。
优选地，所述多胺基单体具有如下结构式中的至少一种：
Figure BDA0002988483290000022
优选地，所述述羰基聚合物的合成方法中，香草醛与多胺基的摩尔比为x，且0<x<100。
优选地，所述羰基聚合物的合成方法，包括如下步骤：在空气气氛下，将香草醛和多胺基单体加入溶剂中进行胺化氧化聚合反应，反应完成后纯化，即得所述羰基聚合物。
优选地，所述溶剂为醇溶剂；更优选为乙醇溶剂。
本发明还提供了所述羰基聚合物在锂电池电极材料中的应用。
优选地，所述羰基聚合物在制备锂电池正极材料中的应用。
本发明还提供了一种锂电池电极材料，其包括所述羰基聚合物。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的羰基聚合物具有合成成本低廉、氧化还原活性好、高比容量和高能量密度等优点，用作锂电池正极材料时，比容量可达到255mAh/g，工作电压区间为2.5～2.7V。本发明实现了研制一类理论生产成本低至0.48美元/g的低成本羰基聚合物，该聚合物展现出低至0.0017美分/100mAh的价格性能比，是目前所报道材料的最好水平，在锂电池电极材料领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述羰基聚合物的化学结构；
图2为实施例1的羰基聚合物1(简称NP1)的合成路线图；
图3为实施例2的羰基聚合物2(简称NP2)的合成路线图；
图4为羰基聚合物NP1和NP2的红外光谱图；
图5为聚合物NP2应用于锂电池正极材料及相应锂电池结构示意图；
图6为基于聚合物NP2的锂电池充放电性能曲线(电压-比容量曲线)；
图7为聚合物NP2与目前文献报道的有机羰基聚合物及小分子成本分析对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，其目的在于帮助更好地理解本发明的内容，具体包括羰基聚合物的合成和电池的制备方法。但所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
本发明的实践可采用本技术领域内的聚合物化学的常规技术。在以下实施例中，努力确保所用数字(包括量、温度、反应时间等)的准确性，但应考虑一些实验误差和偏差。在以下实施例中所用的温度以℃表示，压力为大气压或接近大气压。所用溶剂为分析纯或色谱纯购买。除非另外指出，否则所有试剂都是商业获得的。
实施例1
羰基聚合物1(简称NP1)的合成，其合成反应式如图2所示，具体合成步骤如下：
在空气气氛下，将香草醛(10毫摩尔)和N,N′-二甲基乙二胺(10毫摩尔)溶解于15毫升乙醇中，室温(25℃)下搅拌反应48小时。反应结束后，在甲醇中沉淀出聚合物，再依次经甲醇、丙酮、正己烷抽提，最后用氯仿抽提出最终聚合物，然后再次用甲醇沉淀，最后烘干得到产物NP1，产量为1克，产率为70％。
通过红外光谱实验，NP1的结构如图4所示，图中的红外特征峰表明NP1聚合物中的羰基特征官能团顺利合成，即成功制备得到羰基聚合物NP1。
实施例2
羰基聚合物2(简称NP2)的合成，其合成反应式如图3所示，具体合成步骤如下：
在空气气氛下，将香草醛(10毫摩尔)和哌嗪(10毫摩尔)溶解于15毫升乙醇中，室温(25℃)下搅拌反应48小时。反应结束后，在甲醇中沉淀出聚合物，再依次经甲醇、丙酮、正己烷抽提，最后用氯仿抽提出最终聚合物，然后再次用甲醇沉淀，最后烘干得到产物NP2，产量为1克，产率为70％。
通过红外光谱实验，NP2的结构如图4所示，图中的红外特征峰表明NP2聚合物中的羰基特征官能团顺利合成，即成功制备得到羰基聚合物NP2。
实施例3
以实施例2所得聚合物材料NP2为例，说明此类聚合物材料作为电极材料在锂电池中的应用：
锂电池的具体制备过程如下：
(1)电极片的制备
将NP2、炭黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按3:6:1的重量比称量并混合，经研磨后压片即得到基于NP2的电极片，并经过80℃真空烘箱12小时烘干后备用；
(2)锂电池的组装
在氩气手套箱中，按照图5所示锂电池结构依次组装制备得到的NP2电极片、隔膜(并在隔膜上滴加0.2毫升电解液)和锂片，经压力封装后，即完成锂电池的制备。
在蓝电电池测试***中进行锂电池充放电曲线测试，得到电池的电压-比容量曲线，如图6所示。从图6可以看出，基于NP2的锂电池的比容量达到255mAh/g，其工作电压区间为2.5～2.7V。因此可以看出，这类羰基聚合物是一类性能优异的锂电池电极材料。
实施例4
以实施例3所制备的锂电池性能及NP2的合成成本为例，说明此类羰基聚合物的合成方法具备低合成成本优点。
如图7所示，考虑商业化原料价格的基础上结合反应产率计算，由于实施例2中所合成的羰基聚合物NP2只需要1步化学合成，且原料为廉价易得的香草醛和哌嗪，因此NP2具有低至0.48美元/g的低理论生产成本，并且该聚合物NP2展现出低至0.0017美分每100mAh的价格性能比，这一成本及***格比是目前所报道材料的最好水平。
总体表明，这类羰基聚合物材料是一类性能优异的锂电池电极材料，并且具有低廉的合成成本，是一类非常具有商业化前景的低成本羰基聚合物材料。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种羰基聚合物，其特征在于，具有如下结构式：
Figure FDA0002988483280000011
其中，R、R′和R″为H、C1～50烷基直链或支化链，n＝1～10000。
2.一种如权利要求1所述的羰基聚合物的合成方法，其特征在于，由香草醛和多胺基单体进行胺化氧化聚合反应制得。
3.如权利要求2所述的羰基聚合物的合成方法，其特征在于，所述多胺基单体具有如下结构式中的至少一种：
Figure FDA0002988483280000012
4.如权利要求2所述的羰基聚合物的合成方法，其特征在于，所述羰基聚合物的合成方法中，香草醛与多胺基的摩尔比为x，且0<x<100。
5.如权利要求2～4任一项所述的羰基聚合物的合成方法，其特征在于，所述羰基聚合物的合成方法包括如下步骤：在空气气氛下，将香草醛和多胺基单体加入溶剂中进行胺化氧化聚合反应，反应完成后纯化，即得所述羰基聚合物。
6.如权利要求5所述的羰基聚合物的合成方法，其特征在于，所述溶剂为醇溶剂。
7.如权利要求5所述的羰基聚合物的合成方法，其特征在于，所述溶剂为乙醇溶剂。
8.如权利要求1所述的羰基聚合物在锂电池电极材料中的应用。
9.如权利要求1所述的羰基聚合物在制备锂电池正极材料中的应用。
10.一种锂电池电极材料，其特征在于，包括如权利要求1所述的羰基聚合物。
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