[發明專利]一種氮雜芳環有機材料、正極電極、電池及制備方法

在審

• 申請號: 202210988515.1
• 申請日: 2022-08-17
• 公開（公告）號: CN115353520A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 成會明;韓翠平;李森林;李美霖
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳理工大學（籌）
• 主分類號: C07D487/22
• 分類號: C07D487/22;H01M4/13;H01M4/139;H01M4/60;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 劉建偉

本申請提供了一種氮雜芳環有機電極材料，包括具有苯環結構，且成環的原子除了碳原子以外，還含有氮原子的有機化合物，通過調節活性位點氮原子的數目和氮雜芳環的長度，來抑制有機材料在水中的溶解，同時增強有機材料的電子傳導能力，可作為電池正極材料使用，有效提升了電極材料的循環穩定性和倍率性能。另外，本申請還提供了上述氮雜芳環有機電極材料的制備方法，合成步驟簡單、條件溫和、價格低廉，可工業化生產。本申請還提供了包括氮雜芳環有機電極材料的正極、電池及其制備方法。

技術領域

本申請涉及電池材料制備技術領域，特別涉及一種氮雜芳環有機材料、正極電極、電池及制備方法。

背景技術

隨著鋰離子電池的廣泛使用，鋰離子電池回收技術還不成熟的背景下，造成鋰資源的快速消耗，引起鋰資源短缺和鋰價快速上漲，使其難以滿足大規模分布式儲能的需求。因此，急需開發下一代新型儲能系統。水系可充電電池的價格便宜、操作安全，且環境友好，可滿足大規模分布式儲能的需求。水系鋅離子電池兼具造價低、環境友好、無毒和安全的優點，同時，鋅負極具有高的理論比容量820mAh g^-1和體積理論比容量5851mAh cm^-2，鋅金屬的氧化還原電壓為-0.76V(vs.SHE)，適合作為水系電池負極。目前，大量關于水系鋅離子電池正極的研究主要集中在無機材料，如錳基氧化物、釩基氧化物和普魯士藍衍生物等。然而，這些材料的實際比容量低、衰減快、倍率性能和循環穩定性差，電化學性能難以達到預期。

有機電極材料，由于具有低價、環保、可持續和結構設計靈活的優點，在科研界和產業界受到了廣泛的關注。通過改變有機材料上的官能團可以調節有機材料的電壓，使其適合在水系電解液中工作。同時，有機物中的官能團或者苯環上的雜原子具有較高的活性，可以提供與鋅離子結合的活性位點，例如，氮雜芳環上的氮原子，通過改變活性位點的數量和共軛電子數，來改變有機材料的理論比容量和電荷存儲速率。通常有機物小分子具有容易合成、價格便宜和大規模生產的優點，但由于有機小分子容易溶解在電解液中，造成活性物質的損失和活性材料的在正負極之間的穿梭，導致電池的容量衰減快、循環壽命短。另外，一般有機材料的導電性比較差，不利于電池能量密度的提升。

發明內容

鑒于此，有必要針對現有技術中存在的缺陷提供一種不易在水中溶解、導電性好、活性位點豐富的氮雜芳環有機材料及其制備方法。

為解決上述問題，本申請采用下述技術方案：

本申請目的之一提供了一種氮雜芳環有機材料，具有如下結構式：

本申請目的之二提供了一種所述的氮雜芳環有機材料的制備方法，包括下述步驟：

在空氣中或惰性氣體保護下，將2，3-二氨基酚嗪和環己六酮溶解于混合液體中，得到混合溶液，所述混合液體包括有機溶劑和乙酸；

在100℃～160℃溫度下，將所述混合溶液冷凝回流6～36小時，然后停止加熱，冷凝至室溫，提取反應后的固體，并將所述固體清洗、干燥后得到固定反應物；

在所述固體反應物中加入硝酸溶液中并反應1-6小時，冷卻后分離產物，并將所述產物經清洗、干燥后即可獲得所述氮雜芳環有機材料。

在其中一些實施例中，在空氣中或惰性氣體保護下，將2，3-二氨基酚嗪和環己六酮溶解于混合液體中，得到混合溶液的步驟中，所述惰性氣體為Ar或N₂。

在其中一些實施例中，在空氣中或惰性氣體保護下，將2，3-二氨基酚嗪和環己六酮溶解于混合液體中，得到混合溶液的步驟中，所述2，3-二氨基酚嗪與所述環己六酮的質量比≥2。

在其中一些實施例中，所述有機溶劑包括乙腈、氮甲基吡咯烷酮或乙醇中的至少一種。