一种聚醌脲有机正极材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种聚醌脲有机正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

正极材料是离子电池的关键组成部分，决定着离子电池的电化学性能。应用较为广泛的正极材料主要是铁基、锰基和钒基化合物等无机正极材料。而有机正极材料是一类新兴的储能材料，具有资源广泛、结构可设计、易规模化生产、方便降解回收等优势，发展有机正极材料契合当今新型储能技术的需求和应用趋势，是实现替代金属矿产资源、开发新型储能设备的重要手段。有机正极材料有望成为离子电池的理想正极材料，在能量存储领域表现出巨大的应用潜力。

目前，有机正极材料主要是在锂离子和钠离子等电池中具有一定的应用性能，然而适用于多价离子电池应用的有机正极材料结构却相对较少。在多价离子电池中，有机正极材料的比容量利用率、倍率和长循环等电化学性能并不理想。有机材料结构丰富、立体构型相对复杂，开发新结构有机正极材料使其更适合于多价离子的嵌脱对推动有机正极材料的发展和应用具有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种聚醌脲有机正极材料及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种聚醌脲有机正极材料，该聚醌脲有机正极材料的结构式为：

其中，n为大于等于1的自然数。

本发明还提供一种该聚醌脲有机正极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：取2,3,4,6-四氯苯醌与尿素溶于反应溶剂中，在惰性气体保护下加热进行缩合反应；待反应结束后进行抽滤，获得滤饼；用洗涤溶剂对所述滤饼进行洗涤后干燥，获得所述聚醌脲有机正极材料。

进一步的，该方法具体包括以下步骤：按每克2,3,4,6-四氯苯醌与0.2克～1.0克的尿素溶于5mL～200mL的反应溶剂的比例，取2,3,4,6-四氯苯醌与尿素溶于反应溶剂中，在惰性气体保护下于50℃～150℃下反应1h～48h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用洗涤溶剂对所述滤饼洗涤后干燥得到黑色固体粉末，即得所述聚醌脲有机正极材料。

进一步的，所述反应溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、吡啶或N,N-二甲基甲酰胺。

进一步的，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。

进一步的，所述洗涤溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺、水中的一种或多种。

本发明也提供如上述的聚醌脲有机正极材料在离子电池领域中的应用。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供一种聚醌脲有机正极材料及其制备方法和应用，该聚醌脲有机正极材料具有特定的微观结构，可以更稳定的嵌入多价离子，并且难溶于电解液，可有效抑制活性物质损失。该有机正极材料的制备方法简单，原料廉价。经实验证明，将该聚醌脲有机正极材料应用在锌离子电池中，在0.02Ag

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料的X射线衍射图；

图2为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料的扫描电镜图；

图3为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料的红外光谱图；

图4为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料的X射线光电子能谱图；

图5为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料的热重谱图；

图6为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料在锌离子电池中的循环伏安曲线图；

图7为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料在锌离子电池在0.02Ag

图8为本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料在锌离子电池中0.1Ag

具体实施方式

由背景技术可知，目前在多价离子电池中，有机正极材料存在比容量利用率、倍率和长循环等电化学性能并不理想，如实际比容量低、充放电容量衰减快速等的问题。

本发明提供一种有机正极材料，该有机正极材料的结构式为：

其中，n为大于等于1的自然数。

本发明还提供一种该有机正极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：取2,3,4,6-四氯苯醌与尿素溶于反应溶剂中，在惰性气体保护下加热进行缩合反应；待反应结束后进行抽滤，获得滤饼；用洗涤溶剂对所述滤饼进行洗涤后干燥，获得所述聚醌脲有机正极材料。

该反应的合成路线图如下：

进一步的，该方法具体包括以下步骤：按每克2,3,4,6-四氯苯醌与0.2克～1.0克的尿素溶于5mL～200mL的反应溶剂的比例，取2,3,4,6-四氯苯醌与尿素溶于反应溶剂中，在惰性气体保护下于50℃～150℃下反应1h～48h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用洗涤溶剂对所述滤饼洗涤后干燥得到黑色固体粉末，即得所述聚醌脲有机正极材料。

进一步的，所述反应溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、吡啶或N,N-二甲基甲酰胺。

进一步的，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。

进一步的，所述洗涤溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺、水中的一种或多种。

本发明也提供如上述的有机正极材料在离子电池领域中的应用。

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

0.246g(即1mmol)的克2,3,4,6-四氯苯醌与0.121g(即2mmol)的尿素溶于20mL的N,N-二甲基甲酰胺中，在氮气保护下于150℃下反应24h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用乙醇和水对所述滤饼依次洗涤3次后干燥得到黑色固体粉末，即本发明所述的聚醌脲有机正极材料。

图1为本实施例所制备的聚醌脲有机正极材料的X射线衍射图，图中主要衍射峰在27°为宽峰，说明发明中的聚醌脲有机正极材料为无定型态。

图2为本实施例所制备的聚醌脲有机正极材料的扫描电镜图，在微米尺度下呈团状颗粒。

图3为本实施例所制备的聚醌脲有机正极材料的红外光谱图，图中主要吸收峰范围在892cm

图4为本实施例所制备的聚醌脲有机正极材料的X射线光电子能谱图，图中主要峰在200eV、285eV、399eV和531eV，分别对应Cl2p、C1s、N1s和O1s的电子结合能。

图5为本实施例所制备的有机正极材料的热重谱图，图中在100℃左右出现少量质量损失，在300℃之后出现大幅质量损失。

将本实施例所制备的聚醌脲有机正极材料作为锌离子电池正极的活性物质，按照正极材料：乙炔黑：聚偏氟乙烯按6:3:1的质量比混合研磨，滴加N-甲基吡咯烷酮研磨，涂敷在不锈钢网上，真空烘干制成正极片，以锌片作为负极，1mol L

图6是本发明实施例1所制备的聚醌脲有机正极材料在锌离子电池在0.1mV s

图7是本实施例所制备的有机正极材料在锌离子电池在0.02Ag

图8是本实施例所制备的有机正极材料在锌离子电池中0.1Ag

上述测试所得的放电比容量、倍率性能的稳定性，长循环容量保持率等电化学性能优于现有技术中的聚(1,4-苯醌-乙二胺)和聚(1,4-苯醌-脲)等有机正极材料。

实施例2

0.246g(即1mmol)的克2,3,4,6-四氯苯醌与0.049g(即0.8mmol)的尿素溶于10mL的甲醇中，在氦气保护下于60℃下反应48h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用N,N-二甲基甲酰胺和水对所述滤饼依次洗涤3次后干燥得到黑色固体粉末，即本发明所述的聚醌脲有机正极材料。

实施例3

0.246g(即1mmol)的克2,3,4,6-四氯苯醌与0.061g(即1mmol)的尿素溶于50mL的乙醇中，在氩气保护下于75℃下反应24h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用乙醇和N,N-二甲基甲酰胺对所述滤饼依次洗涤3次后干燥得到黑色固体粉末，即本发明所述的聚醌脲有机正极材料。

实施例4

0.246g(即1mmol)的克2,3,4,6-四氯苯醌与0.090g(即1.5mmol)的尿素溶于20mL的N,N-二甲基甲酰胺中，在氮气保护下于150℃下反应2h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用乙醇和水对所述滤饼依次洗涤3次后干燥得到黑色固体粉末，即本发明所述的聚醌脲有机正极材料。

实施例5

0.246g(即1mmol)的克2,3,4,6-四氯苯醌与0.090g(即1.5mmol)的尿素溶于50mL的异丙醇中，在氮气保护下于80℃下反应24h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用正丁醇和水对所述滤饼依次洗涤3次后干燥得到黑色固体粉末，即本发明所述的聚醌脲有机正极材料。

实施例6

0.246g(即1mmol)的克2,3,4,6-四氯苯醌与0.121g(即2mmol)的尿素溶于50mL的正丁醇中，在氮气保护下于110℃下反应24h；待反应结束并冷却后进行抽滤，获得滤饼；用异丙醇和水对所述滤饼依次洗涤3次后干燥得到黑色固体粉末，即本发明所述的聚醌脲有机正极材料。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。