背景技術：

1、所公開的主題涉及鋰離子電池的領域，并且更具體地，涉及關于用于快速充電且長壽命的鋰離子電池的有機電池電極材料的扭曲大分子梯的分子陣列。

2、鋰離子電池(lithium-ion?battery，lib)是一種儲能系統(tǒng)，加速了當今信息社會的發(fā)展。某些lib可以具有相對高的性能，但在充電-放電循環(huán)期間，功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性下降。這對于諸如電動車輛的許多應用而言可能是特別嚴重的，因為它們的充電時間相對長并且在數(shù)百次循環(huán)之后容量損失相當大。

3、與某些無機電極材料相比，obem可以同時提供高功率密度和能量密度，例如由于其可以提供高離子擴散系數(shù)和高比容量的分子可調(diào)性。obem還具有相對低的生產(chǎn)成本、低的環(huán)境影響，以及鑒于其組分的天然豐富性，其可以是可持續(xù)的。然而，obem還可能具有降低的比容量和相對差的循環(huán)穩(wěn)定性，因為有機分子可能在氧化還原反應期間浸入到電解質(zhì)溶液中。鑒于這樣的缺陷，可以使用有機聚合物，然而，其由于連接體和增溶側(cè)鏈是非氧化還原反應性的而可能具有低充電容量。此外，obem的相對低的固有電導率可能降低其實現(xiàn)高倍率性能和面積質(zhì)量負載的能力，從而導致為了實現(xiàn)可接受的結(jié)果而并入大量的導電性添加劑。

4、因此，需要提供可以用于鋰電池的大分子和材料，以提供可持續(xù)、快速充電且長壽命的鋰電池。

技術實現(xiàn)思路

1、所公開的主題涉及有機電池電極材料(organic?battery?electrode?material，obem)，并提供了用于制備大分子(例如扭曲且完全共軛的大分子)的方法和技術，以及包含所述大分子的電池陰極。這樣的大分子可以形成用于并入鋰電池中的快速充電且長壽命的陰極。

2、所公開的主題通過提供扭曲的完全共軛的梯型大分子的分子陣列設計而解決了這些和其他需求。在某些實施方案中，大分子可以在一個或更多個芳族位點扭曲。在某些實施方案中，大分子可以在六個芳族位點扭曲。所公開主題的原子上限定的、梯型完全共軛的且長的大分子結(jié)構(gòu)可以通過合成方案來合成。在某些實施方案中，大分子被配置成具有至少梯型共軛結(jié)構(gòu)以及復數(shù)個hpdi[n]低聚物，其中n為1至6的整數(shù)，例如hpdi[6]。

3、所公開的主題還提供了包括重復的suzuki反應-mallory光環(huán)化序列的方法，該方法可以提供定量的光環(huán)化以便例如由較短的螺旋苝二酰亞胺[2](hpdi[2]-c11)制備螺旋苝二酰亞胺[6](hpdi[6]-c11)。在某些實施方案中，提供了用于合成扭曲且共軛的大分子梯的分子陣列的方法。在某些實施方案中，該方法包括制備具有復數(shù)個hpdi[n]的前體，其中n為1至6的整數(shù)，通過重復的suzuki-mallory聚合過程使該前體聚合以形成具有梯型共軛結(jié)構(gòu)并且包含hpdi[n]的扭曲且共軛的大分子梯。

4、在某些實施方案中，pdi亞單元通過乙烯亞單元稠合。

5、在某些實施方案中，聚合過程包括對大分子梯的共軛長度和扭曲進行建模。此外，該方法可以包括增加π-共軛的長度和扭曲芳族位點的數(shù)量來進行調(diào)節(jié)。在某些實施方案中，hpdi[n]由hpdi[n]-c11制備。

6、在某些實施方案中，hpdi[n]為共軛且扭曲的帶結(jié)構(gòu)。

7、所公開的主題還提供了用于鋰離子電池中的電極，其包含扭曲的完全共軛的梯型大分子的分子。在某些實施方案中，該分子形成為陰極。

8、所公開的主題提供了鋰離子電池，其包括使用扭曲的完全共軛的梯型大分子的分子的電極。

9、所公開的主題的合成方案可以通過避免不完全的光環(huán)化(例如，hpdi[n]的合成，最多n＝4)來提供較長帶的合成。在某些實施方案中，可以例如通過真空熱解定量地除去烷基鏈。這樣的用于除去烷基鏈的過程可以例如通過減少非電活性質(zhì)量來增加重量容量，并且還可以使材料不溶。在某些實施方案中，所得大分子的結(jié)構(gòu)可以例如通過13c固態(tài)核磁共振(nmr)、紅外光譜法、基質(zhì)輔助激光解吸/電離(matrix?assisted?laser?desorption/ionization，maldi)質(zhì)譜法、或其組合來確定。在某些實施方案中，大分子可以為扭曲的螺旋苝二酰亞胺[6](hpdi[6])大分子。在這樣的實施方案中，六(6)個氧化還原活性pdi亞單元可以例如通過乙烯亞單元而稠合在一起。這樣的大分子可以表現(xiàn)出高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

10、在某些方面中，通過調(diào)節(jié)hpdi[n]低聚物的長度，可以同時調(diào)節(jié)材料的電導率和離子傳導率。低聚物大分子的梯的長度可以調(diào)節(jié)共軛長度，以及扭曲可以實現(xiàn)鋰離子配位和傳輸。此外，通過增加π-共軛的長度和扭曲芳族位點的數(shù)量，可以改善電導率和離子傳導率。所公開主題的大分子的電導率可以比具有較短帶的對應物高至少一個數(shù)量級。在某些方面中，hpdi[n]家族的電導率可以隨著帶延伸而增加。電導率的改善可以歸因于例如hpdi[n]的共軛結(jié)構(gòu)的長度。因此，增加共軛帶的長度例如扭曲的螺旋苝二酰亞胺[6](hpdi[6])大分子可以改善電導率。

11、在某些實施方案中，所公開主題的大分子可以被配制為陰極。這樣的配制陰極可以提供相對高的倍率性能，這可以將充電時間減少至少于約1分鐘、少于約50秒、或少于約40秒。在某些實施方案中，并入有所公開主題的大分子的電池可以在約35秒或更短內(nèi)充電至約67％。此外，陰極的輸出功率密度可以高至約22,000w/kg或高至約28,000w/kg。在某些實施方案中，輸出功率密度可以比標準鋰離子電池(lithium-ion?battery，lib)高至少約兩個數(shù)量級。并入有本文公開的大分子的所公開主題的陰極可以有利地具有高循環(huán)穩(wěn)定性，例如，在10,000次充電-放電循環(huán)后，對于7.7℃和77℃，容量衰減分別為每循環(huán)約0.004％和約0.002％。因此，所公開主題的陰極可以具有高循環(huán)穩(wěn)定性，而沒有明顯的容量衰減。此外，這樣的陰極在高質(zhì)量負載和高溫條件下可以保持其性能。

12、在某些方面中，當制造為鋰離子電池中的陰極時，所公開主題的大分子表現(xiàn)出高電導率和高離子傳導率二者。此外，這樣的材料可以表現(xiàn)出比某些常規(guī)無機材料高至少兩個數(shù)量級的功率密度。在某些方面中，這樣的材料可以在少于約1分鐘內(nèi)或在35秒內(nèi)充電至其最大容量的至少約67％。此外，所公開主題的材料可以具有高循環(huán)穩(wěn)定性，并且可以工作至少約10,000次充電-放電循環(huán)，而沒有任何明顯的容量衰減。包含所公開主題的大分子的材料也可以與用于商業(yè)電池的某些制造技術相容，而無需進一步的修改，并且可以提供用于制備可持續(xù)、快速充電且持久的obem例如電池的技術。

技術特征：

1.一種扭曲且共軛的大分子梯的分子陣列，包含：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子陣列，其中所述大分子被配置成具有至少梯型共軛結(jié)構(gòu)并且包含復數(shù)個hpdi[n]低聚物，其中n為1至6的整數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子陣列，其中所述大分子梯包含hpdi[6]低聚物。

4.一種用于合成扭曲且共軛的大分子梯的分子陣列的方法，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中hpdi[n]低聚物為hpdi[6]。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中pdi亞單元通過乙烯亞單元選擇性地稠合。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述聚合過程包括對所述大分子梯的共軛長度和扭曲進行建模。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述hpdi[n]由hpdi[n]-c11制備。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述hpdi[n]為共軛且扭曲的帶結(jié)構(gòu)。

10.一種用于鋰離子電池的電極，包含根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子陣列。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電極，其中所述分子被配制為陰極。

12.一種鋰離子電池，包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的鋰離子電極。

技術總結(jié)
所公開的主題提供了用于快速充電且長壽命的鋰電池的扭曲大分子梯及其方法。通過調(diào)節(jié)hPDI[n]的長度，可以調(diào)節(jié)所得扭曲大分子梯的電導率和離子傳導率，從而改善鋰離子配位和傳輸。該材料可以應用到可持續(xù)、快速充電且持久的有機電池電極材料中。

技術研發(fā)人員：科林·納科爾斯,金澤鑫,程前,楊遠,鮑思彤,張睿文,奧斯汀·M·埃文斯,費伊·吳,邁克爾·L·施泰格瓦爾德
受保護的技術使用者：紐約市哥倫比亞大學托管會
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9