[发明专利]一种5;7;12;14-四氮-6;13-并五苯醌电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为一种基于5,7,12,14‑四氮‑6,13‑并五苯醌（简称TAPQ）电极及其制备方法和在制备电池中的应用。将邻苯二胺和2,5‑二羟基‑1,4‑苯喹酮混合生成5,12‑二氢喹诺并[2,3‑b]吩嗪，再将5,12‑二氢喹诺并[2,3‑b]吩嗪置于重铬酸钾的硫酸溶液中氧化，而得到5,7,12,14‑四氮‑6,13‑并五苯醌。由该电极组装而得的锂离子电池最高理论比容量可达320.0 mAh/g，且在10C的倍率下能保持150 mAh/g左右的比容量循环300多圈。此外，该电极材料还可适用于钠离子电池和钾离子电池体系等。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种有机电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

有机正极材料的优势主要有以下几点：1、体系安全。2、质量轻，多电子参与反应，因而电池比容量高、质量能量密度高。3、有机物的氧化还原过程反应动力学快，因此功率密度高。4、有机结构可设计性强，可根据对电池性能的需求增减官能团或者将其盐化聚合等。且由于有机物在溶剂中的溶解度大，成膜性好，电极制作方式灵活。5、成本低廉、无重金属污染，而含氧共轭羰基化合物作为天然生物质提取物的衍生物更是合成原料丰富且方便大规模生产。因此相比于无机材料，有机物被认为有望成为新一代绿色锂离子电池正极材料。

目前已被研究过的有机正极材料主要有导电聚合物、含硫化合物、氮氧自由基化合物和含氧共轭化合物等，其中以含氧共轭化合物研究最多、性能最好。因此寻找性能优良的含氧共轭化合物做电池的正极材料显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成简便、性能优良的5,7,12,14-四氮-6,13-并五苯醌（简称TAPQ）电极材料及其制备方法，以及其作为电池正极的应用。

本发明所提供的5,7,12,14-四氮-6,13-并五苯醌电极材料，记为TAPQ，分子式为C₁₈H₈N₄O₂,结构式如下：

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本发明所提供的TAPQ电极材料的制备方法，具体步骤为：

（1）将邻苯二胺和2,5-二羟基-1,4-苯喹酮混合，在150℃-200℃的条件下搅拌4-6小时，生成5,12-二氢喹诺并[2,3-b]吩嗪；

（2）将5,12-二氢喹诺并[2,3-b]吩嗪置于重铬酸钾的硫酸溶液中，在90-110℃的条件下氧化，即得5,7,12,14-四氮-6,13-并五苯醌，记为TAPQ；

化合物合成化学反应式如下：

本发明中，所述制备方法制备获得的TAPQ作为电池正极材料，以及该TAPQ与碳或石墨烯形成的TAPQ复合物作为电池正极材料；所述TAPQ复合物为碳包覆的TAPQ (TAPQ/C)、石墨烯复合的TAPQ (TAPQ/G)、氮化石墨烯复合的TAPQ (TAPQ/NG)或碳纳米管复合的TAPQ(TAPQ/CNT)。

一种以所述TAPQ以及该TAPQ复合物为正极的电池的制备方法，具体步骤如下：

（1）将TAPQ或TAPQ复合物涂布在集流体铝箔、铜箔或泡沫镍上，再经烘干、裁剪，得到正极极片；

（2）制备片状金属负极和电解液；

（3）将正极、金属负极、隔膜和电解液组装成电池。

本发明中，所述金属负极为锂、钠、钾或镁。