一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法

本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法。

背景技术：

1、随着消费产品升级，智能便捷电子产品对能源的需求不断增加，此外，面对各行业对能源的新需求，高性能储能器件的使用显得尤为重要。传统的储能器件由于存在相对较低的能量密度以及传统电极不高的理论容量等缺陷，已逐渐不能适应当今储能应用的需求。可充电水系电池采用水基电解质，生产成本低，安全性好，有希望替代锂离子电池成为新一代电化学储能系统。由于金属锰在地球资源中含量高、生产规模大，成本低廉、无毒性，使得水系锰离子电池在各种水系金属离子电池中脱颖而出。此外，水系锰离子电池还具有几个优点：低氧化还原电位（相对于标准氢电极为-1.19v），高理论容量，优异的水中化学稳定性。然而传统无机材料功能组件与新兴有机材料功能组件相比还存在不足，如应用于传统的无机材料在根源上获取困难，获取大多源于矿石等非可再生资源，长期利用将面临资源危机；实际使用的无机晶体材料包含许多晶体缺陷，此非可控缺陷对电子、离子传导贡献不定；无机材料做电极应用理论比容量低等缺陷。而有机材料优点颇多，例如在自然界中随处可见、可通过化学反应合成多样的材料、富电子有机材料可参加电化学所需的多步氧化还原反应、具有较强的可设计性及优秀的化学稳定性等。

2、尽管有机电极材料被赋予许多优点，但是它们的发展和应用仍然受到限制。例如，大多数有机电极材料是无孔的块状固体，导致活性中心的低效利用和电解质离子的缓慢传输。同时有机电极的电化学性能不仅仅由活性官能团决定。为了加深对材料结构与性能之间关系的理解，需要将视角从分子设计扩展到材料构建。因此需要开发一种新策略，改善有机结构，将多孔性与结构精确性、多功能性和可调谐性相结合，提高电池的性能。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，来解决传统水系锰离子电池的有机小分子正极材料易溶解的缺点。本发明采用的技术手段如下：

2、一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，包括以下步骤：

3、s1、将三聚氰胺和酸酐类化合物真空干燥后加入二甲基亚砜中，在氮气环境保护下搅拌，然后向其中加入甲苯，升温至160-220 ℃加热24-96 h，反应结束后用过量的丙酮、四氢呋喃和二氯甲烷洗涤制备的固体沉淀，在真空条件下干燥得到多孔有机骨架正极材料；

4、其中，酸酐类化合物为均苯四甲酸酐、萘四酸酐或焦苯二酸酐；三聚氰胺和酸酐类化合物的质量比为1:1-1:3。

5、s2、将所得多孔有机骨架正极材料、导电剂，粘结剂以（6-8）：（1-2）：（1-2）的质量比，在n-甲基吡咯烷酮分散剂中搅拌混合后，涂覆在集流体上干燥6-12h，得到有机骨架电极；

6、其中，导电剂为乙炔黑、科琴黑、super-p或石墨导电剂；粘结剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠；集流体为碳毡、碳布、钛箔、钢箔或钢网；正极材料、导电剂、粘结剂的质量比为（6-8）：（1-2）：（1-2）。多孔有机骨架正极材料还可以为tppa-1（三苯甲烷衍生物）、paf-1（多孔芳香酰亚胺聚合物）、cc-3（炭载体有机框架-3）、cofs类能够与锰离子进行氧化还原反应的材料。

7、s3、将所得有机骨架电极和锰金属分别用作正极和负极，滤纸或玻璃纤维为隔膜，与电解液构建得到水系锰-共价有机骨架电池。在电池放电过程中，锰金属失去电子变成锰离子，发生氧化反应。同时，电解液中锰离子与多孔有机骨架材料中的羰基发生还原反应，嵌入到有机骨架内部。

8、其中，锰金属为锰片、锰粉或锰的合金。水系电解液为可溶性锰盐的水溶液，具体为硝酸锰、高氯酸锰、三氟甲基磺酸锰或硫酸锰的水溶液。

9、与现有技术比较，本发明水系锰-共价有机骨架电池的构建方法的有益效果如下：

10、1、本发明所设计的有机骨架结构改善了有机小分子电极的易溶解的缺点，提高电池的循环寿命。同时有机骨架提供的大量羰基基团，有利于提高电池的电化学性能。

11、2、本发明所设计的有机框架结构具有高度可调的孔隙结构和大的比表面积，可以提供更多的活性位点来储存和释放锰离子，因此具有较高的电容量，同时也有利于离子的扩散和传输，从而提高了电池的充放电效率和能量密度。

12、3、本发明所设计的有机框架结构稳定，能够在电池工作条件下不发生剧烈的化学反应，同时这种结构可以提高电荷的传输效率，减轻正极材料与电解液之间的相互作用，有效降低了正极材料的溶解率。

13、4、本发明通过调整有机框架材料的化学结构，从而实现对其电化学性能的精确调控。这种灵活性使得有机框架材料可以根据不同应用的需求进行定制设计。

技术特征：

1.一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s1中，酸酐类化合物为均苯四甲酸酐、萘四酸酐或焦苯二酸酐。

3.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s1中，三聚氰胺和酸酐类化合物的质量比为1:1-1:3。

4.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s2中，导电剂为乙炔黑、科琴黑、super-p或石墨导电剂。

5.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s2中，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠。

6.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s2中，集流体为碳毡、碳布、钛箔、钢箔或钢网。

7.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s3中，锰金属为锰片、锰粉或锰的合金。

8.根据权利要求1所述的一种水系锰-共价有机骨架电池的构建方法，其特征在于：步骤s3中，水系电解液为可溶性锰盐的水溶液。

技术总结
本发明公开了一种水系锰‑共价有机骨架电池的构建方法，首先制备了多孔有机骨架材料及有机骨架电极。然后将有机骨架电极和锰金属分别用作正极和负极，与锰盐电解液构建得到水系锰‑共价有机骨架电池。锰离子在电池在放电过程中，锰金属失去电子变成锰离子，发生氧化反应。同时，电解液中锰离子与有机共价固态中的羰基发生还原反应，嵌入到有机骨架内部。本发明有机骨架结构改善了有机小分子电极的易溶解的缺点，提高电池的循环寿命。同时有机骨架提供的大量羰基基团，有利于提高电池的电化学性能。

技术研发人员：刘现玉,赵磊,赵苑,俞彬,周嘉欣
受保护的技术使用者：兰州城市学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6