[发明专利]对苯二甲酸钙的制备方法及在锂离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池有机负极材料的制备方法及应用，具体涉及一种在电解液中稳定性能好、循环性能优良的负极材料对苯二甲酸钙的制备以及在锂离子电池中的应用。

背景技术

材料是人类生产活动和生活必须的物质基础，与人类文明和技术进步密切相关。随着社会的不断进步与发展，人类目前面临着资源枯竭和生存环境恶化的双重挑战。因此，各个国家正在努力推进与研发新材料，推进低碳生活理念，促进人类社会走向节能型、资源可循环利用的可持续发展模式。各国政府大力推广的清洁能源例如太阳能、风能等逐渐大规模应用于人类生活，混合动力汽车或者纯电动汽车也正在慢慢代替目前广泛使用的汽油驱动传统汽车。然而，这些可再生资源的大规模开发和利用均需要建设配套的电能储存装置来保证供电的连续性和稳定性。在目前众多储能体系中，电化学储能电池由于具有使用灵活性、高效性和无地域限制性，是最受关注的储能装置。

在现有的储能电池中，锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、安全性能好、污染小等特点，是移动电话、笔记本电脑、数码相机等小型电子设备的理想电源，也是未来车用动力电池的首选电源，是一种与可持续发展方式相呼应的储能电池。锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱嵌锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜嵌入到负极中；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能及市场竞争力。目前，锂离子电池的负极材料主要有无机材料和有机材料两大类，无机材料中研究较多的有石墨、硅、锡以及金属氧化物等，这些材料在使用过程中存在一些问题，如石墨负极材料在过充时，容易形成锂枝晶，存在安全隐患；硅和锡在充放电过程中结构不稳定、循环性能差；而金属氧化物的首周库伦效率太低，这些都一定程度上限制了无机负极材料的广泛应用。与无机负极材料相比，有机负极材料有着其独特的优点而越来越受到研究者的关注。首先，无机负极材料的容量受限于结构的稳定性，导致很难进一步提高其能量密度或者充分利用理论比容量，而有机电极材料的理论比容量高(最高约924mAh/g)，且其密度较低可以容忍较大的体积变化，有助于充分发挥其理论比容量；其次，无机负极材料价格较昂贵，回收利用困难，给环境带来沉重的负担，不是理想的“绿色电池”材料，而大多数有机材料在大自然中能够自我降解，容易实现可再生利用，且成本低廉。

目前，研究较多的有机负极材料大多数为羰基化合物。其原因是羰基具有很好的电化学活性，容易进行脱嵌锂反应，受到了研究工作者的广泛关注。目前，反式-己二烯二酸锂(Li₂C₆H₄O₄)、四氰基对醌二甲烷(TCNQ)、2，5-二羟基对苯二甲酸锂等用于锂离子电池有机负极材料的研究已有报道。研究表明，有机电极材料的共性是导电性能差、锂离子扩散系数低、活性物质在电解液中存在一定的溶解度，导致其实际比容量低、循环性能差。最近，Haiquan Zhang等报道了改性后的对苯二甲酸锂作为锂离子电池有机负极材料(Haiquan Zhang,Qijiu Deng,Aijun Zhou,Xinquan Liu,Jingze Li*.Porous Li₂C₈H₄O₄coated with N-doped carbon by using CVD as an anode material for Li-ion batteries.J.Mater.Chem.A,2014,2,5696)，发现未经过改性处理的对苯二甲酸锂样品在低倍率0.05C时循环50周，放电比容量一直存在衰减，从第二周的145mAh/g衰减到85mAh/g，容量保持率只有58.6％，其原因在于对苯二甲酸锂在电解液中不稳定，存在部分溶解现象；而经过CVD方法形成的包覆层不仅有利于提高电极的电子电导率，而且有利于提高电极材料在电解液中的稳定性，抑制其溶解，实验发现包覆改性后的样品在电流密度放大10倍即0.5C时第二周的比容量提高到221mAh/g，循环50周后的容量保持率提高到67.9％。由此可知，对现有电极材料的简单包覆改性效果有限，电极材料在电解液中的稳定性、溶解性没有从根本上得到改善，导致改性材料的容量保持率仍然较低，衰减较明显，严重影响其在锂离子电池中的应用进程。

发明内容