[发明专利]一种对称聚合物基电极锂离子全电池的制备方法

说明书

本发明公开了一种对称聚合物基电极锂离子全电池的制备方法，方法如下：步骤1.合成正、负极材料；步骤2.制备电极片；步骤3.组装半电池；步骤4.对半电池进行电化学性能测试；步骤5.进行对称聚合物基锂离子全电池正、负极容量匹配；步骤6.组装全电池。该对称聚合物基电极锂离子全电池中，电极活性材料为有机聚合物——醌式聚酰亚胺或醌式聚酰亚胺碳基复合材料，可同时用作电池的正极和负极材料，并且能够通过单位面积活性物质质量进行容量匹配，组建成对称聚合物基电极锂离子全电池。本发明节能环保，合成中精简了正负极材料分开制备的复杂工艺。此外，全电池中没有金属锂片的使用，极大提高了电池的安全性能，为新一代清洁型储能器件提供了一种新思路。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种对称聚合物基电极锂离子全电池的制备方法。

背景技术

在过去的30年里，化石能源不断被开采的同时，二氧化碳的排放量急剧上升，已经成为化石燃料能源之外另一个令人担忧方面。为解决温室气体排放问题和随之而来的大城市地区的空气污染，全世界都增加了对开发可再生能源的投资，尤其是风能和太阳能发电厂。然而，许多可再生能源极易受自然环境的影响，发电量随着天气的变化而波动，因此，高效的储能系统应运而生。电池和超级电容器等电化学储能装置在解决这一问题的领域发挥着至关重要的作用，这类储能装置不仅能够在独立发电厂中按需高效地储存和输送电能，而且可以为综合系统中提供电能。

锂离子电池作为最先进的充电电池之一，在过去的几十年里受到了广泛的关注。随着科技的进步与发展，移动电子设备不断的更新换代，电动汽车和混电汽车市场的不断扩大，人们对更高生活质量的追求，这就要求下一代锂离子电池不仅具有大功率、大容量、高充电率、长寿命，而且安全性能和成本都要有显著提高。

锂离子电池性能提升的关键就在于电极材料，电极材料中正极材料主要可分为无机材料和有机材料。无机材料中，三元材料由于其能量密度高和充放电速度快等优点，被广泛应用于以特斯拉为代表的新能源汽车领域，但是频繁爆出的新能源汽车自燃事件，也进一步证实了三元材料的安全性能有待提升。此外，以磷酸铁锂为代表的无机储能材料虽然安全性能好，但是容量受限，而且开采成本高，环境污染严重。因此，有机材料因其高理论容量和丰富的原材料，使得它们已成为非常有前途的下一代储能材料。然而，尚未很好地解决将有机小分子材料溶解在电解质中的问题，导致电池的循环性能差和倍率性能差。

为了解决不必要地溶解在电解质中并获得快速动力学性能的问题，构建具有稳定骨架和高电活性官能团的聚合物正极是关键。同样，目前在锂离子电池中使用的负极材料主要基于无机材料，如可商购的碳材料，金属氧化物和硅基材料。其中，碳材料具有优异的导电性和循环稳定性，但是能量密度低。金属氧化物和硅基材料通常会被损坏，因为它们不利于锂枝晶的形成，并且在循环过程中稳定性较差。因此，很有必要找到对环境友好的高性能负极材料以开发锂离子电池。相比之下，具有高理论容量，结构设计和快速反应动力学的有机材料有望成为候选材料。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有较好电化学性能的对称聚合物基电极锂离子全电池的制备方法。

本发明提供了一种对称聚合物基电极锂离子全电池，其电极活性储能材料为含有双极性特性的醌式多羰基聚酰亚胺或醌式多羰基聚酰亚胺碳基复合材料。聚酰亚胺作为一种重要的工程塑料，其芳杂环的共振作用可使键能和热稳定性增加，所以聚酰亚胺具有良好的热稳定性和较高的机械强度。电极活性材料选用醌式多羰基聚酰亚胺，因其结构中含有大量的活性羰基使得聚酰亚胺不仅具有独特的电化学性能和成本效益，而且还提高了能量收集和存储系统的效率。电极活性材料选用醌式聚酰亚胺碳基复合材料，该有机材料分子不仅聚合物分子结构可调控，同时还形成了独特的阵列结构，更有利于储锂活性位点的暴露、有机电解液的浸润以及导电性的提升，并且首次应用在了对称聚合物基锂离子全电池领域。最重要的是基于醌的多羰基聚酰亚胺的双极性特性，意味着该材料可以同时用作电池的正极和负极。这不但解决了无机材料开采时对环境的污染问题，同时在合成中精简了正负极材料分开制备的复杂工艺，节省了过程中对能源的消耗。