2,5-二巯基-1,3,4噻二唑正极材料的合成及其电化学性能.pdf
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1、第4 0 卷第2 期2 0 0 9 年4 月中南大学学报(自然科学版)J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i V e r s i t y(S c i e n c ea n d1 e c h n o l o g y)、7 b l+4 0N o 2A p L2 0 0 92,5 二巯基1,3,4 噻二唑正极材料的合成及其电化学性能吴保安,陈白珍,肖立新,胡拥军,袁艳(中南大学冶金科学与工程学院,湖南长沙,4 1 0 0 8 3)摘要:以水合肼、二硫化碳为原料,三乙胺为催化剂,氢氧化钠为转换剂,硫酸为酸化剂,在8 5 乳液聚合得到2,5 二巯基1,3,
2、4 噻二唑(D M c D,用红外光谱鉴定产物的结构;采用交流阻抗法研究P:A n,P M O T 和C u c 2 0 4对D M c T 的电催化作用,测试蝴M c T 复合正极材料的充放电性能。研究结果表明,最佳反应条件为:喇二硫化碳):一(氢氧化钠):西水合肼)=3 5:1 5:l,酸化p H 值控制在O“l。O,此时,产率达到9 2;P A n 对D M c T 的电催化作用明显,使其阻抗从1 2 8k Q 减小至2 7 0Q;艄皿D M c T 复合正极材料首次放电比容量为2 2 5l n A h g,与D M c T的1 3 5l I 认h g 相比,放电比容量有明显提高。关键词
3、:2,5 二巯基1,3。4 噻二唑:乳液聚合;交流阻抗:充放电性能中图分类号:1 Q 2 5 2 5文献标识码:A文章编号:1 6 7 2 1 2 0 7(2 0 0 9)0 2-0 3 0 5 _ 0 6S y n t h e s i sa n de l e c t r o c h e m i c a Ip r o p e r t i e so fc a t h o d em a t e r i a lo f2,5 一d i m e r c a p t o r 一1,3,4 一t h i a d i a z o l eW UB a o 一锄,C H E NB a i 一出e n,)(I A
4、OL i-x i n,H UY o n g-j 硼,Y U A NY 觚(S c l 啪lo f M e t a l l u r g i c a lS c i 朗c e 觚dE n g i n c c d n g,C e n 臼麓lS o u 也U n i v e 墙i 哆,C h 觚g s h a4 1 0 0 8 3,C h i)A b s t n c t:2,5-d i m e r c a 册册l,3,4 蛳a d i 北o l e、)l,嬲s y n t h e s i z e db y 咖l s i p o l y m e 妇t i o nm e m o da t8 5 w i 也仃
5、i e m y l 锄i n e 勰n l ea c c e l e r 加ga g c n t,d i 岫h y d r o】i d e 觞t h ec o n v e r ta g e n t,叭l f h r i ca c i d 勰t h e i d u l 雏t T h es 伽I 硼l 坞o fn l ep r o d l l c tw 够锄a l y 笳db yi n 触r e ds p e c 饥l l n T h eA Ci m p e d a em c t h o dw 嬲砍I o p t c dt os t l l d yt b et a l y s i se 娩c to
6、 fP A 丑,P M O T,C u C 2 0 4 锄dn”c h a r g e d i s c h a r g ec a p a c 毋o f 鲋u 1 仍M c Tw 嬲t c s t e d 髓er c 刚l ss h o w眦岫d c rt h e0 p t i 鲫珊r e a c 矗o nc o n d i t i o n i e 捍(C S 2):一(N a o H):,l(N 2 H 4 H 2 0 户3 5:1 5:l 卸dn 圮i d u l a n tp H=o 6 一1 O,也ey i e l dr e a c h e su pt 09 2 1 1 砖e 腩c to
7、 fP A n t h ee l e c 觚 c h e m i c a la c t i v i 锣o fD M c Ti sv e r y0 b V i o 懈,锄dt 1 1 ei n i t i a ld i s c h a r g ec 印时o f P 枷M c Tr e h e su pt 02 2 5I n A。h g,c o m p a f e dw 弛1 3 5n 姨h go f D M c T K e yw o r d s:2,5 一d i m e f c a p 惦r-l,3,4 m i a d i a z o I e;删l s i o np o l y m e f 妇i
8、 o n;A Ci m p e d a l l c c;c b a r g ea n dd i s d I a r g ec a p 们时有机二硫化合物作为锂二次电池的正极活性材料具有非常高的比能量,被认为是最有发展前途的活性物质之一【1 3 1。L i u 等【4 1 对一系列的聚有机二硫化物正极材料进行研究,认为在众多的有机硫化物中,2,5 二巯基1,3,4 噻二唑(简称D M c T)熔点较低,熔体的导电率也较高,具有较高的理论比容量(3 6 2m A h 儋)。高永建等【5 1 用硫酸肼和二硫化碳合成D M c T,但产率较低。吕军文等嘲用水合肼和二硫化碳合成D M c T,产率较高。
9、但由于这类物质在室温下的电化学氧化还原非常缓慢,因而没有得到实际应用7 1。因此,寻找收稿日期:2 0 0 8 卅睁-0 2;修回日期:2 0 0 8 9-1 1基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(0 6 J J 2 0 0 8)通信作者:陈白珍(1 9 4 7 一),女。湖北武汉人。教授,博士生导师,从事电化学及电池正极材料研究;电话;0 3 7 l 8 8 7 7 3 5 2:a i l:y h s c h 蜘 m a i l c 眦e d l I 万方数据中南大学学报(自然科学版)第4 0 卷合适的电催化剂来提高D M c T 的氧化还原反应速度成了目前的主要研究方向【8 吲。本文作者
10、通过乳液聚合法合成D M c T,并得到最佳反应条件。对D M c T 进行掺杂,研究其交流阻抗,探讨电催化机理,以寻找较好的电催化剂,并测试其充放电曲线。1实验1 1实验原料与试剂实验原料和试剂有:水合肼(A R,湖南汇虹试剂有限公司生产);二硫化碳(A R,国药集团化学试剂有限公司生产);三乙胺(A R,天津市大茂化学试剂厂生产);氢氧化钠(A R,天津市风船化学试剂有限公司生产);P)F(A RE l 丛t o c h e I I l 脚a r 2 8 0 1);衄(南京京龙化工厂生产);C e l g a r d2 4 0 0 微孔聚丙烯膜(C e l g a r dI n c U S
11、 A 生产);1m o l I。L i P F 6 E C D M C(深圳新宙帮化工厂生产)。1 2 反应机理2 个二硫化碳分子在有三乙胺存在的情况下分别取代水合肼中的2 个氢原子,生成中间产物 H(C S 2)N N(C S 2)H 2 一与2 个T E A H+;中间产物在有强碱的条件下脱硫、氢转位;再用稀硫酸酸化生成D M c T。合成途径如下:H 一掣_ N _ H+2 c s,+2 T E A IHHc s 呻叫一c s i+2 T E A H+型唑由由S s N a 一(;二:b s N a+N 酗s+2 H,o+2 T E Aj 量窆!Ll Il IN-Ns H 一伊卜s H+
12、N a 2 s 0 4+N a 2 s+2 H 2 0+2 T E ANN其中:T E A 即为C 6 H 1 5 N(三乙胺)。1 3D M c T 的合成在三颈烧瓶中加入2 0 0m L 蒸馏水,然后,在室温下加入一定量的氢氧化钠,搅拌溶解冷却至融8,加入2 5r I l L 的水合肼,摇匀。再加入一定量的乳化剂,加入按配料关系设定的二硫化碳,搅拌反应之后,静置2h。在恒温磁力搅拌器上发生加热反应,温度控制在7 5 8 5。反应3h,反应停止后冷却至室温,用硫酸进行酸化,p H 值控制在0 6 1 0,陈化2h,抽滤、水洗,用四氢呋喃重结晶提纯,在真空干燥箱中于8 5 烘干得到针状淡黄色产
13、品。1 4电化学性能与分析测试将D M c T 和M M c T 复合材料分别为正极材料与乙炔黑和P)F 按质量比8:1:1 混合并研磨均匀后,加入适量的有机溶剂N M P 研磨成均匀糊状物后涂于铝箔上,在8 5 真空干燥1 2h,然后,制成正极片,以金属锂片为负极,1m o 儿L i P F 6 E C D M E 为电解液,C e l g a r d2 4 0 0 微孔聚丙烯膜为隔膜,在真空手套箱中组装成2 0 3 2 型扣式电池。使用上海辰华仪器公司的C m 6 6 0 B 型电化学工作站,在交流信号振幅为5I r l v,频率为l OI I l H z 至1 0 0k H z,于室温(
14、2 5)进行交流阻抗测试。使用B T S 一5 l型二次电池性能检测仪(深圳新威尔多电子设备有限公司)在室温(2 5)测试充放电性能。红外光谱测试在w Q F 七1 0 傅里叶变换红外光谱仪上进行,波数为4 0 0 4O o oc m 一1,分辨率为2c m-1;C,H 和N 元素采用C H N O R A P 元素分析仪(德国H 黜吣公司生产)进行分析。2 结果与讨论2 1 乳化剂对产率的影响不同乳化剂对反应产率的影响如表1 所示。由表l 可知,不同乳化剂对反应产率具有很大的影响,且三乙胺和其他乳化剂相比,在乳化剂用量相同时,反应产物的产率较高。在实验过程中还发现,三乙胺在碱性水溶液中有较好
15、的溶解性,乳化能力较强,能加速反应,可在3h 内完成反应,且反应条件温和,操作简便。而且以三乙胺作乳化剂,氢氧化钠的用量可显著减少,这是因为三乙胺能加速中间产物的生成,从而使脱硫和氢转位易于进行【1 0 1。表1 不同乳化剂对反应的影响T a b l e1E 甄c t so f d i 行e 呦t 咖u l s i 母i n ga g e n 乜0 nr e a c t i o n 万方数据第2 期吴保安,等:2,5-二巯基一l,3。4 噻二唑正极材料的合成及其电化学性能2 2 配料比与收率的关系以三乙胺作乳化剂,在8 5 时水合肼和二硫化碳反应合成D M c T,总反应时间为3h,二硫化碳与
16、水合肼的摩尔比与收率的关系如图l 所示。从图l 可以看出,随着二硫化碳和水合肼摩尔比的增加,收率逐渐上升;当二硫化碳与水合肼的摩尔比为3 5 时,收率最高;摩尔比继续增加,收率却下降。这是由于二硫化碳易挥发,增大二硫化碳和水合肼的摩尔比,有利于水合肼和二硫化碳的充分反应从而使收率增加;但摩尔比过高,易形成副产物多硫化物,使收率反而下降。故最佳摩尔比为3 5。二硫化碳与水合肼的摩尔比图1 二硫化碳与水合肼的摩尔比与收率的关系F i g 1R c l a t i o n s h i pb e 锕e m o l er a t eo f C S 2t 0N 2 H 4 H 2 0 觚dy i e l
17、d2 3 反应温度与收率的关系以三乙胺作乳化剂,二硫化碳和水合肼(3 5:1)反应合成D M c T,反时间为3h,其反应温度与收率的关系如图2 所示。由图2 可知,随着温度的升高,收率逐渐上升,当温度达到8 5 时,收率最高;继续升高温度,收率反而下降。这是由于反应是吸热加成反应,温度高有利于反应的进行,但温度过高又产生副反应,使收率下降。故反应温度以8 5 为宜。2 4 反应时间与收率的关系以三乙胺作乳化剂,在8 5 时二硫化碳水与合肼(3 5:1)反应合成D M c T,其反应时间与收率的关系如图3 所示。从图3 可以看出,随着反应时间的增加,收率上升,在3 5h 时收率最高;随着时间进
18、一步增加,收率反而下降。这是由于随着时间的增加,水合肼与二硫化碳反应接触充分,收率提高,但若时间过长,副反应发生,收率反而下降。故反应时间以3 5h 为宜。温度图2 反应温度与收率的关系聊g 2R e l a t i o n s h i pb e 伽e 删i o n 咖豇a t I l 觚dy i e l d述褥擎时问m图3 时间与收率的关系F i g 3R e l 撕o n s h i pb e 押e 锄t i m ea n dy i e l d以上结果表明,最佳的反应条件为:以三乙胺作乳化剂,反应温度为8 5,反应时间为3 5h,一(二硫化碳):力(水合肼):3 5:1,疗(氢氧化钠):疗
19、(水合肼)=1 5:l,酸化p H 值为O 的1 0。此时,收率稳定在9 2。2 5D M C T 产品的红外光谱测试结果红外光谱测试先以K B r 压片,进行本底测试。然后,将测试样品充分磨细,取少量粉末与K B r 混匀后压成片,进行透射光谱采集。红外光谱测试结果如图4 所示。由表2 及图4 可知,合成产品红外光谱及其归属位置与标准值基本一致【1 1 1。2 6D M c T 产品元素结果D M c T 产品的元素分析结果及理论计算值如表3所示。由表3 可知,C,H 和N 元素分析的试验含量(质 万方数据3 0 8中南大学学报(自然科学版)第4 0 卷波数c m 一1图4D M c T 产
20、品的红外光谱F i 昏4I Rs p e c 帆衄o f D M c T表3D M c T 的元素分析1 a b l e3E l e m 朗t s 锄a l y s i so fD M c Tw 量分数,下同)与理论含量基本一致。2 7D M C T 产品及其掺杂后交流阻抗图5 所示为D M c T 中分别掺入P A n,P M O T 和C u C 2 0 4 复合正极材料交流阻抗复数平面图。其中:Z k为实部阻抗;为虚部阻抗。由图5 可知,在D M c T产品及D M c T 中掺入P:A n,P M O T 和C u C 2 0 4 的样品均在高频阶段呈现1 个较明显的半圆,在低频阶段呈
21、现一条直线;掺杂后电化学阻抗都明显减小,特别是掺入P A n 后电化学阻抗由原来的1 2 8k Q 减小至2 7 0 Q。D M c T 中掺入P M O T 后,两者相互作用形成电子给体一受体复合物,促进了D M c T 的氧化还原反应,并使得D M c T 的电化学阻抗减小【1 2】。D M c T 中掺入少量C u C 2 0 4 后,生成二聚体a兰E呵z R 肚Ql 一掺入P A n;2 一掺入P M O T;3 一掺入C u C 2 0 4;4 一纯D M c T图5 不同掺杂D M c T 正极交流阻抗复数平面图n g 5A Ci m p e d a n c ep l o t so
22、 fD M c Tw i md i 融哪a d u l 住:r a t i o 鹏(D M c T)2,其中,C u 2+还原为C u+,C u+与D M c T 给电子的配体形成一维线性配合物,使其氧化还原电位降低,从而加快电化学反应【1 3 1。D M c T 中掺入P A n 后形成的复合材料P A n D M c T中两者存在电子转移【1 4】等反应。黝L I l 作为分子集流体在充电(氧化)过程中,还原态的D M c T 把电子传给氧化态的P:A n 而发生氧化聚合反应,在放电(还原)过程中,氧化态的D M c T(即D M c T 聚合物)从还原态的P A n那里得到电子而发生还原
23、解聚反应。这样,P A n 和D M c T 之间通过电子或者D M c T 的巯基与P A n 的亚胺相互作用而发生分子与分子之间的电荷转移,所以,电子的传递作用很容易发生,导致D M c T 在E A n 分子集流体上氧化还原反应加快【1 5-1 6 1。2 8D M c T 和鼢。n 仍M c T 充放电性能D M c T-“电池的首次充放电曲线如图6 所示。由图6 可知,D M c T 首次充放电的比容量分别为2 5 0 和1 3 5n 认h g,首次充放电效率为5 4,而以M c T为正极材料的首次充放电比容量如图7 所示。从图7可知,蝴M c T 首次充放电的比容量分别为2 5 2
24、 和 万方数据第2 期吴保安,等:2,5 _ 巯基一l,3,4 噻二唑正极材料的合成及其电化学性能3 0 92 2 5n A h g,首次充放电效率为8 9 3,经过2 0 次循环,放电比容量衰减至1 7 0I r A h 值,放电比容量相对于首次放电比容量衰减了2 4 4。事实上,在放电过程D M c T 中有些基团的可逆性比较差,不是完全放电,故放电比容量较低;当加入队n 后,P A n 与D M c T 达到了分子水平的融合,黝m 对D M c T 有了明显的电催化作用,使得这些基团的电化学活性提高,从而提高了P A n D M c T 复合正极材料的循环寿命。图8 所示为P A n D
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- 巯基 噻二唑 正极 材料 合成 及其 电化学 性能
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