一种高载量电极材料及其制备方法与流程

本发明涉及电极材料制备，具体涉及一种高载量电极材料及其制备方法。

背景技术：

1、工业和社会的快速进步导致能源需求急剧增长，而传统的化石能源却面临着短缺的困境。并且，煤炭、石油这些化石燃料的燃烧所带来的环境危害是不可忽视的。因此，为了确保社会经济的可持续发展，能源开发逐渐转向可再生的绿色能源，例如，风能、地热能、太阳能以及生物能等。然而，可再生能源目前还存在开发成本高、能源供给不稳定、存储技术高、地理因素限制等缺点，使其适用范围受到限制。因此，应对可再生能源传输和存储难题的关键就是开发高能量、高稳定性的储能装置。超级电容器主要由集流体、电解液、电极材料、隔膜以及封装材料组成，其中决定超级电容器性能的最关键的部分是电极材料。电极材料的性能对超级电容器的电荷储存能力有决定性影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高载量电极材料及其制备方法，解决了现阶段电极材料载量低，且多次循环后性能下降的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种高载量电极材料的制备方法，具体包括如下步骤：

4、步骤a1：将4,4'-二氨基二苯二硫溶于无水乙醇中，加入盐酸溶液，在转速为60-80r/min，温度为0-5℃的条件下，搅拌并加入亚硝酸钠溶液，搅拌10-15min后，加入苯酚，进行反应30-40h，调节ph值为中性，升温至室温，搅拌2-3h，制得中间体1；

5、步骤a2：将中间体1、环氧氯丙烷、苄基三乙基氯化铵和dmf混合均匀，在转速为200-300r/min，温度为100-105℃，氮气保护的条件下，进行反应3-4h，降温至70-75℃，加入氢氧化钠溶液，继续反应15-20h，制得中间体2，将中间体2、乙二胺和dmf混合均匀，在转速为150-200r/min，温度为25-30℃，ph值为11-12的条件下，进行反应8-10h，制得改性单体；

6、步骤a3：将改性单体、4,4'4''-三氨基三苯胺和n-甲基吡咯烷酮混合均匀，在转速为120-150r/min，温度为20-25℃，氮气氛围的条件下，搅拌并加入3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐，进行反应20-25h后，加入改性填料，继续搅拌3-5h，升温至180-185℃，进行反应4-6h，制得高载量电极材料。

7、进一步，步骤a1所述的4,4'-二氨基二苯二硫、盐酸溶液、亚硝酸钠溶液和苯酚用量比为2mmol:10ml:5ml:4mmol，盐酸溶液的质量分数为8%，亚硝酸钠溶液质量分数为5%。

8、进一步，步骤a2所述的中间体1和环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液的用量比40mmol:80mmol:10ml，氢氧化钠溶液的质量分数为30%，苄基三乙基氯化铵的用量为中间体1和环氧氯丙烷质量和的1-3%，中间体2和乙二胺的摩尔比为n:n+1，n为大于0的自然数。

9、进一步，步骤a3所述的改性单体、4,4'4''-三氨基三苯胺、3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐和改性填料的用量比为40mmol:20mmol:60mmol:1g。

10、进一步，所述的改性填料由如下步骤制成：

11、步骤b1：将八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷、咖啡酸、二环己基碳二亚胺和dmf混合均匀，在转速为150-200r/min，温度为30-40℃的条件下，进行反应5-7h，制得中间体3，将中间体3、4-甲酰基苯硼酸、5a分子筛和dmf混合均匀，在转速为120-150r/min，温度为60-65℃的条件下，进行反应10-15h，制得中间体4；

12、步骤b2：将中间体4、邻苯二胺、碳酸钾和dmf混合均匀，在转速为150-200r/min，温度为80-85℃的条件下，进行反应10-15h后，调节ph值为5，制得中间体5，将中间体5、硝酸钴六水合物、硝酸镍六水合物和dmf混合均匀，在频率为20-30khz，温度为20-25℃的条件下，超声处理30-40min后，静置7-9h，制得前驱体；

13、步骤b3：将前驱体置于管式炉中，在升温速率为5-10℃，氮气氛围的条件下，升温至800-900℃，煅烧4-6h后，冷却至室温，分散在无水乙醇中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷和去离子水，在转速为200-300r/min，温度为50-60℃的条件下，进行反应2-3h，制得改性填料。

14、进一步，步骤b1所述的八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷、咖啡酸和二环己基碳二亚胺的摩尔比为1:8:8.2，中间体3、4-甲酰基苯硼酸和5a分子筛的用量比为2mmol:16mmol:2g。

15、进一步，步骤b2所述的中间体4、邻苯二胺和碳酸钾的用量比为1mmol:8mmol:1g，中间体5、硝酸钴六水合物和硝酸镍六水合物的摩尔比为2:1:1。

16、进一步，步骤b3所述的3-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为前驱体质量的1-3%。

17、本发明的有益效果：本发明制备的一种高载量电极材料以4,4'-二氨基二苯二硫和苯酚为原料反应形成偶氮结构，制得中间体1，将中间体1和环氧氯丙烷反应，使得中间体1上的酚羟基和环氧氯丙烷上的环氧基反应，再在氢氧化钠溶液的作用下闭环，形成新的环氧基制得改性单体，将改性单体、4,4'4''-三氨基三苯胺和3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐反应，形成聚酰胺酸，加入改性填料，改性填料上的氨基能够与聚酰胺酸上的部分羧基反应，高温亚胺化处理，制得高载量电极材料，改性填料以八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷和咖啡酸为原料，在二环己基碳二亚胺的作用下脱水反应，使得八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷上的氨基和咖啡酸的羧基反应，制得中间体3，将中间体3和4-甲酰基苯硼酸反应，使得4-甲酰基苯硼酸上的硼酸基团和中间体3上的邻苯二酚反应，形成硼酸酯，制得中间体4，将中间体4和邻苯二胺反应，使得中间体4上的醛基和邻苯二胺反应形成咪唑结构，制得中间体5，将中间体5、硝酸钴六水合物和硝酸镍六水合物反应，形成金属有机框架，再在氮气氛围下碳化，最后用3-氨丙基三乙氧基硅烷表面处理，使得表面接枝氨基，制得改性填料，改性填料表面含有氨基能够与聚酰胺酸分子链反应，同时酰胺酸分子链为超支化结构，进而使得电解材料为交织的多孔网格，增加了自身的比表面，且改性填料内部含有硅和碳相互支撑的结构，表面包覆有有机高分子，使得防止了电极材料的塌陷和膨胀，内部含有金属氧化物形成赝电容进而增加储电量，表面的有机物含有n=n键和s-s键能够增加储锂性能，且4,4'4''-三氨基三苯胺和大量苯环结构的加入使得电极材料的容量进一步上升。

技术特征：

1.一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：步骤a1所述的4,4'-二氨基二苯二硫、盐酸溶液、亚硝酸钠溶液和苯酚用量比为2mmol:10ml:5ml:4mmol。

3.根据权利要求1所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：步骤a2所述的中间体1和环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液的用量比40mmol:80mmol:10ml，氢氧化钠溶液的质量分数为30%，苄基三乙基氯化铵的用量为中间体1和环氧氯丙烷质量和的1-3%，中间体2和乙二胺的摩尔比为n:n+1，n为大于0的自然数。

4.根据权利要求1所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：步骤a3所述的改性单体、4,4'4''-三氨基三苯胺、3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐和改性填料的用量比为40mmol:20mmol:60mmol:1g。

5.根据权利要求1所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：所述的改性填料由如下步骤制成：

6.根据权利要求5所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：步骤b1所述的八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷、咖啡酸和二环己基碳二亚胺的摩尔比为1:8:8.2，中间体3、4-甲酰基苯硼酸和5a分子筛的用量比为2mmol:16mmol:2g。

7.根据权利要求5所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：步骤b2所述的中间体4、邻苯二胺和碳酸钾的用量比为1mmol:8mmol:1g，中间体5、硝酸钴六水合物和硝酸镍六水合物的摩尔比为2:1:1。

8.根据权利要求5所述的一种高载量电极材料的制备方法，其特征在于：步骤b3所述的3-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为前驱体质量的1-3%。

9.一种高载量电极材料，其特征在于：根据权利要求1-8任一所述制备方法制备而成。

技术总结本发明公开了一种高载量电极材料及其制备方法，通过改性单体、4,4'4''‑三氨基三苯胺和3,3',4,4'‑联苯四羧酸二酐反应，形成聚酰胺酸，加入改性填料，改性填料上的氨基与聚酰胺酸上的部分羧基反应，高温亚胺化处理制得，改性填料表面含有氨基能够与聚酰胺酸分子链反应，且分子链为超支化结构，使得电解材料为交织的多孔网格，增加了自身的比表面，且改性填料内部含有硅和碳相互支撑的结构，表面包覆有有机高分子，防止了电极材料的塌陷和膨胀，内部含有金属氧化物形成赝电容增加储电量，表面的有机物含有N=N键和S‑S键能够增加储锂性能，且4,4'4''‑三氨基三苯胺和大量苯环结构的加入使得电极材料的容量进一步上升。技术研发人员：郭晓明,马志勇,高希受保护的技术使用者：安徽永卓线缆有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6