[发明专利]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

说明书

本发明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。本发明的有益效果为：本发明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‑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储Na⁺的高可逆性。

技术领域

本发明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。

背景技术

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、-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。

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。

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。

发明内容

本发明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，本发明以含砜基团的sPBT作为说明，即选用的磺化芳香二元羧酸单体为4,4'-磺酰基双(2-磺基苯甲酸)。

其次，将sPBT与导电剂和粘合剂均匀混合后制备sPBT阴极材料。

本发明提供的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2，5-二氨基-1，4-苯二硫酚二盐酸盐（DABDT）、4, 4-二羧基二苯醚（PE）和4,4'-磺酰基双(2-磺基苯甲酸) (SFSA)进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后干燥即得sPBT。

（2）sPBT阴极材料（sPBT-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-CM。

（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。

（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。

（5）优选地，步骤（2）中，5%的PVDF溶液中，PVDF与N-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。