一種四羥基對苯醌四鈉鹽及其製備方法和應用與流程
2023-12-05 20:01:26 1
本發明屬於鈉離子電池材料技術領域，具體涉及一種四羥基對苯醌四鈉鹽及其製備方法和應用。
背景技術：
進入21世紀以來，現代化社會對能源的需求與日俱增，與之相矛盾是目前的主要能源來源——化石能源的儲量有限，而日益枯竭；以及化石能源的使用所伴生的環境惡化的問題也日益嚴重，人們迫切的在尋找一種新能源來藉此解決這些問題。因此鋰離子電池作為優秀的新能源儲能器件，一經商業化就廣泛的應用人們生活生產的各個領域，然而其面臨鋰資源貧乏，電極材料昂貴等問題。於是，人們逐漸把眼光投向了鋰離子電池的近親——鈉離子電池。
鈉離子電池以其鈉在地球含量豐富，廉價的優勢有望取代鋰離子電池。而電池的有機活性材料相對於無機材料，有著其理論容量高，並且是可再生、回收無汙染、環境友好的優點，但由於相似相溶的原理，有機活性材料也存在著易溶於有機電解液的缺點。
技術實現要素：
為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在於提供一種四羥基對苯醌四鈉鹽的製備方法。
本發明的另一目的在於提供一種通過上述方法製備得到的四羥基對苯醌四鈉鹽。
本發明的再一目的在於提供上述四羥基對苯醌四鈉鹽作為鈉離子電池負極材料的應用。
本發明目的通過以下技術方案實現：
一種四羥基對苯醌四鈉鹽的製備方法，包括如下製備步驟：
將四羥基對苯醌二鈉鹽與氫氧化鈉置於反應器中，加入去離子水，加熱攪拌混合均勻，然後在攪拌及回流條件下反應，反應完成後將母液蒸發濃縮，離心，除去上層清液得四羥基對苯醌四鈉鹽粗產品，最後經洗滌離心，真空乾燥，得到四羥基對苯醌四鈉鹽。
優選地，所述四羥基對苯醌二鈉鹽與氫氧化鈉摩爾比為1:(2～2.5)。
優選地，所述回流條件下反應的溫度為60～100℃，時間為8～48h。
優選地，所述離心的轉速為6000～10000r/min，離心時間8～30min。
優選地，所述的洗滌是指用無水乙醇進行洗滌。
優選地，所述真空乾燥的溫度為60～100℃，真空乾燥的時間為8～48h。
一種四羥基對苯醌四鈉鹽，通過上述方法製備得到。所述四羥基對苯醌四鈉鹽具有如下所示的化學結構式：
上述四羥基對苯醌四鈉鹽作為鈉離子電池負極材料的應用。
本發明以本發明以四羥基對苯醌二鈉鹽和氫氧化鈉為原料，通過簡單加熱回流，進行簡單中和反應，得到四羥基對苯醌四鈉鹽母液，然後通過蒸發濃縮、離心得到四羥基對苯醌四鈉鹽的粗產品，最後用無水乙醇洗滌離心，有效除去過剩的氫氧化鈉雜質，然後通過真空乾燥後得到四羥基對苯醌四鈉鹽，不僅合成方法簡單易行，而且節能環保，製備出的四羥基對苯醌四鈉鹽的電化學性能優異，可應用於鈉離子電池負極材料。
本發明的製備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：
(1)本發明合成的四羥基對苯醌四鈉鹽，既是性能良好的鈉離子電池電極材料，而且高度的無機鹽化又使其在有機溶劑中的溶解度下降；
(2)本發明合成的四羥基對苯醌四鈉鹽的合成工藝簡單易行；提純操作簡單，高效節能，所得的產物純度高；對設備要求低，成本低，適合大規模工業生產；
(3)本發明所得四羥基對苯醌四鈉鹽，熱重曲線圖顯示其在300℃才開始分解，具有良好的耐熱性能；SEM顯示樣品呈不規則的顆粒狀，粒徑分布約為1～5μm；在鈉離子電池電解液浸泡的實驗顯示了材料在有機電解液中溶解度低；電化學性能測試結果顯示四羥基對苯醌四鈉鹽作為鈉離子電池負極材料性能優異。
附圖說明
圖1是本發明實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽與原料四羥基對苯醌二鈉鹽的紅外對比圖譜(KBr壓片法)；
圖2是本發明實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽的熱重曲線圖(空氣氣氛)；
圖3是本發明實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在不同放大倍數下的SEM圖；
圖4是本發明實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在鈉離子電池電解液中的溶解性測試結果圖；
圖5是本發明實施例所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極的循環伏安曲線圖；
圖6是本發明實施例所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極的倍率性能曲線圖；
圖7是本發明實施例所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極的循環性能曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
本實施例四羥基對苯醌四鈉鹽的製備方法，具體製備步驟如下：
(1)原料配置及反應：取四羥基對苯醌二鈉鹽0.200g與氫氧化鈉0.078g於三頸燒瓶，加入適量去離子水，在80℃下攪拌混合均勻，回流攪拌反應8h，得棕黃色母液。
(2)蒸發離心過程：將步驟(1)所得的母液在常壓下蒸發濃縮，後轉移至高速離心機，轉速8000r/min離心15min，除去上層清夜得四羥基對苯醌四鈉鹽粗產品。
(3)洗滌離心過程：將步驟(2)所得到的粗產品，加入無水乙醇，洗滌離心三次，然後轉移至真空乾燥箱，80℃真空乾燥12h，得最終產品四羥基對苯醌四鈉鹽。
本實施例所得四羥基對苯醌四鈉鹽與原料四羥基對苯醌二鈉鹽的紅外對比圖(KBr壓片法)如圖1所示，由圖1可以看出，在原料四羥基對苯醌二鈉鹽的紅外圖譜中心位置為3257cm-1的酚羥基吸收特徵峰，在所得產物中明顯被消去；而中心位置1504cm-1的芳環上碳氧雙鍵-C＝O的特徵吸收峰，中心位置為1601cm-1和1422cm-1的骨架上碳碳雙鍵-C＝C-的特徵呼吸振動吸收峰，以及中心位置為1295cm-1的酚氧鍵＝C-O的特徵吸收峰的相對位置基本保持一致，證明了所製得的產物正是我們的目標產物四羥基對苯醌四鈉鹽，無其他雜峰證明其純度高。所得四羥基對苯醌四鈉鹽的熱重曲線圖(空氣氣氛)如圖2，圖2中顯示其在300℃才開始分解，具有良好的耐熱性能，且熱重剩餘質量百分比為83.4％(理論值為81.5％)，再次證明了我們獲得的產物為四羥基對苯醌四鈉鹽。所得四羥基對苯醌四鈉鹽的在不同放大倍數下的SEM圖如圖3所示，SEM顯示樣品呈不規則的顆粒狀，粒徑分布範圍約為1～5μm。
本實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在鈉離子電池電解液中的溶解性測試：取適量產物四羥基對苯醌四鈉鹽，於離心管中，加適量鈉離子電池電解液(1M NaClO4-EC+DMC溶液(VEC:VDMC＝1:1))進行浸泡，以上操作在氬氣氛圍的手套箱進行，對剛浸泡第一天以及浸泡第三天的樣品進行拍照，結果如圖4所示，由圖4可以看出，本發明所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在有機電解液中溶解度低。
本實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽作為鈉離子電池負極材料的應用性能測試：
(1)將四羥基對苯醌四鈉鹽、乙炔黑和聚偏氟乙烯以質量比40:50:10在瑪瑙研缽中，並滴加適量的N-甲基吡咯烷酮球磨4小時。將得到的糊狀物塗到鋁箔上，再將其置於乾燥箱中在80℃烘約12小時，並裁截為圓片，在真空乾燥箱中烘乾得到工作電極。電極活性物質的含量約為1～3mg。
(2)採用兩電極體系，步驟(1)所製備的工作電極為正極，鈉片為負極，玻碳纖維膜為隔膜，1M NaClO4-EC+DMC溶液(VEC:VDMC＝1:1)為電解液，在氬氣氛圍的手套箱中進行扣式電池的組裝。
(3)循環伏安法測試步驟(2)所得到的電池，測試條件參數為：掃速為0.1mV/s，掃描電位範圍1.0～4.5V。
(4)對步驟(2)所得到的電池進行恆電流充放電測試，測試條件參數為：。恆電流充放電電流密度為0.1C～2C，充放電電位範圍1.0-3.0V。所有的充放電性能測試均在室溫下進行。
經測試所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極的循環伏安曲線圖、倍率性能曲線圖和循環性能曲線圖分別如圖5、圖6和圖7所示。由圖5～7的結果可以看出，本發明所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極具有優異的電化學性能。
實施例2
(1)原料配置：取四羥基對苯醌二鈉鹽0.200g與氫氧化鈉0.081g於三頸燒瓶，加入適量去離子水，在80℃下攪拌混合均勻，回流攪拌反應8h，得棕黃色母液。
(2)蒸發離心過程：將步驟(1)所得的母液在常壓下蒸發濃縮，後轉移至高速離心機，轉速8000r/min離心15min，除去上層清夜得四羥基對苯醌四鈉鹽粗產品。
(3)洗滌離心過程：將步驟(2)所得到的粗產品，加入無水乙醇，洗滌離心三次，然後轉移至真空乾燥箱，80℃真空乾燥12h，得最終產品四羥基對苯醌四鈉鹽。
本實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在鈉離子電池電解液中的溶解性測試和作為鈉離子電池負極材料的應用性能測試同實施例1。結果顯示所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在有機電解液中溶解度低，且所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極具有優異的電化學性能。
實施例3
(1)原料配置：取四羥基對苯醌二鈉鹽0.200g與氫氧化鈉0.078g於三頸燒瓶，加入適量去離子水，在90℃下攪拌混合均勻，回流攪拌反應12h，得棕黃色母液。
(2)蒸發離心過程：將步驟(1)所得的母液在常壓下蒸發濃縮，後轉移至高速離心機，轉速8000r/min離心15min，除去上層清夜得四羥基對苯醌四鈉鹽粗產品。
(3)洗滌離心過程：將步驟(2)所得到的粗產品，加入無水乙醇，洗滌離心三次，然後轉移至真空乾燥箱，80℃真空乾燥12h，得最終產品四羥基對苯醌四鈉鹽。
本實施例所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在鈉離子電池電解液中的溶解性測試和作為鈉離子電池負極材料的應用性能測試同實施例1。結果顯示所得產物四羥基對苯醌四鈉鹽在有機電解液中溶解度低，且所得四羥基對苯醌四鈉鹽電極具有優異的電化學性能。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。