一种共价有机框架聚合物电极材料及在锂离子全电池中的应用

本发明涉及一种共价有机框架聚合物材料及在锂离子全电池制备中的应用，属于锂离子电池。

背景技术：

1、随着全球对可持续能源解决方案的追求不断加强，锂离子电池作为一种高效的能量存储系统，在推动能源转型方面发挥着至关重要的作用。由于其相对较高的能量密度、长周期寿命和较低的自放电率，锂离子电池已成为移动电话、笔记本电脑、电动汽车及大规模电网储能的首选技术。

2、尽管锂离子电池技术已取得显著进展，但现有电极材料面临的挑战限制了电池性能的进一步提升。目前，商用锂离子电池的正极材料主要基于层状结构的锂金属氧化物，例如licoo2、limn2o4和lifepo4等。这些材料虽然提供了可靠的电化学性能，但它们的能量密度受到限制，且涉及昂贵或有限资源的使用，限制了电池的成本效益和环境可持续性。此外，安全性问题，如热失控反应的风险，以及循环稳定性在高倍率充放电条件下的下降，也是目前锂离子电池面临的主要挑战之一。

3、在这一背景下，共价有机框架(cof)材料因其独特的性质而成为了研究的焦点。cof材料是通过稳定的共价键连接形成的高度有序的多孔结构，它们不仅提供了可调节的孔径和高比表面积，还能通过化学功能化实现电化学性能的优化。这些特性使cof材料在作为锂离子电池电极材料方面具有巨大的潜力，尤其是在提高电池的能量密度和循环性能方面。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术所面临的问题，提供了一种共价有机框架聚合物材料及在锂离子全电池制备中的应用。本发明共价有机框架聚合物材料的制备方法简单，所用原料绿色廉价，应用于锂离子全电池上展现出较优异的电化学性能。

2、本发明共价有机框架聚合物材料，是由n,n,n',n'-四(对氨基苯基)对苯二胺(tpda)和1,4,5,8-萘四甲酸酐(ntcda)通过一步聚合反应获得，其结构式如下所示：

3、

4、本发明共价有机框架聚合物材料是通过包括如下步骤的方法制备获得：

5、称取13-15mgn,n,n',n'-四(对氨基苯基)对苯二胺(tpda)和14-16mg1,4,5,8-萘四甲酸酐(ntcda)加入到10mlschlenk管中，然后加入1mlnmp、1ml均三甲苯和0.1ml异喹啉，超声处理15-20分钟，在氩气气氛下冷冻并脱气3次，用火焰枪将管子密封；随后在高温反应箱内150℃下保存5天，过滤、洗涤、分离并干燥，得到目标共价有机框架聚合物，即为coftpda-ntcda。

6、本发明共价有机框架聚合物材料在锂离子全电池制备中的应用。

7、进一步，以所述共价有机框架聚合物电极材料作为锂离子全电池的正极材料和负极材料使用。

8、以该有机电极材料同时应用于锂离子电池正极和负极材料，这类材料通过稳固的共价键构建出高度有序的多孔网络结构，展现出了调控孔径大小和增大比表面积的能力，从而在分子层面上优化其电化学属性。这种结构赋予了这类材料在作为锂离子电池电极应用时独特的优势，特别是在推动电池能量密度提升和循环性能增强方面展现出巨大潜力。

9、锂离子全电池的制备方法如下：

10、步骤1：制备正负电极片

11、将共价有机框架聚合物材料分别与导电剂和粘结剂混合研磨均匀，滴加n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)，研磨搅拌成稳定的浆料，分别涂附于铝箔和铜箔集流体上，经80-100℃真空烘干20-26h，制成正极极片和负极极片；所述导电剂为科琴黑；所述粘结剂为聚偏氟乙烯。

12、步骤2：组装全电池

13、在惰性气体氛围中进行电池组装，将正极片和负极片与电解液、隔膜按顺序组成锂离子全电池，同时保证电解液浸润隔膜和正负极极片。

14、进一步地，所述电解液由锂盐和有机溶剂组成，其中锂盐为六氟磷酸锂，有机溶剂为ec和dmc的混合溶液。

15、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

16、1、本发明的共价有机框架聚合物电极材料通过选择环境友好且成本低廉的前体化合物，采用一步聚合反应技术制备。此方法不仅简化了制备过程，减少了多次提纯的需求，而且确保了产物的高纯度和结构一致性。应用于锂离子全电池时，该材料显示出优异的电化学循环稳定性和倍率性能。

17、2、本发明共价有机框架聚合物电极材料通过精心设计的多孔结构和高度有序的共价键连接，引入了大量的c-n键作为氧化还原活性位点，从而提高了氧化还原活性位点密度，增加了理论容量。此外，其独特的多孔结构和高比表面积有利于锂离子的快速传输和均匀分布，显著提高了电池的离子扩散速率和电子导电性。同时，该材料中π共轭体系的存在不仅促进了电荷的快速传输，还通过与锂离子的高效协同配位，实现了锂离子的可逆存储，从而在锂离子电池中获得了良好的电化学循环稳定性和倍率性能。

技术特征：

1.一种共价有机框架聚合物材料，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的共价有机框架聚合物材料，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的共价有机框架聚合物材料，其特征在于其结构示意如下：

4.权利要求1、2或3所述共价有机框架聚合物材料在锂离子全电池制备中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种共价有机框架聚合物材料及在锂离子全电池制备中的应用，该共价有机框架聚合物是由N,N,N',N'‑四(对氨基苯基)对苯二胺(TPDA)和1,4,5,8‑萘四甲酸酐(NTCDA)通过一步聚合反应获得，采用该聚合物材料同时作为正极极片和负极极片，组装成锂离子全电池，所述锂离子全电池可实现较高的循环比容量(0.2Ag<supgt;‑1</supgt;,174mAh g<supgt;‑1</supgt;)和优异的倍率性能。技术研发人员：靳伟,张朝峰,张龙海,任翔,余士凤,黄博,陈文浠受保护的技术使用者：安徽大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18