[发明专利]一种金属离子电池有机电极材料、电极、电池以及制备方法

说明书

本发明公开一种金属离子电池有机电极材料、电极、电池以及制备方法，属于金属离子正极材料制备领域，其为：咔唑自聚物、咔唑衍生物的自聚物、咔唑与咔唑衍生物的自聚物，或咔唑与还原吩嗪共聚的共聚物、咔唑衍生物与还原吩嗪共聚的共聚物，或咔唑与三聚吲哚共聚的共聚物、咔唑衍生物与三聚吲哚共聚的共聚物。本发明还提供包含以上有机正极材料的正极，包括以上正极的电池，还提供了制备以上正极和电池的方法。利用本发明所提供的材料制成的金属离子电池具有较高的容量与能量密度，良好的循环稳定性以及倍率性能，有望用于下一代高能量密度、环境友好、可持续的储能电池中。

技术领域

本发明属于金属离子电池领域，更具体地，涉及一种金属离子电池有机电极材料、电极、电池以及制备方法。

背景技术

在现有的电能存储装置中，电池—特别是锂离子电池，是用于整合可再生能源的最有效的能源存储设备之一。然而，人类日益增长的生活生产需求，以及便携式电子设备、电动交通工具、大规模储能等方面的迅速发展，进一步加剧了逐年增长的锂离子电池需求与有限锂资源之间的矛盾，因此，研究开发新型储能器件与系统迫在眉睫。

传统的无机正极材料受到其理论容量和结构稳定性的限制，难以进一步提高其能量密度，限制其在大规模储能中的应用。另外，过渡金属(如锰、铁、钴、镍)基正极材料的大规模生产和使用，无疑会带来环境危害的风险。此外，无机材料具有刚性结构，特别是在离子的嵌入和脱出过程中，高电流充电和放电会破坏电极材料的结构，这将导致电池容量下降并且寿命缩短。因此，研究开发无机电极材料的替代材料具有重要的现实意义。

近年来，有机电极材料受到关注。与由过渡金属组成的无机电极材料相比，有机材料不含过渡金属，低毒、易降解、合成制备方法相对温和、资源丰富且可持续、结构灵活可设计强，可以通过合理的分子设计来提高材料的电化学性能。至今为止，多种类型的有机电极材料被开发出来，显示出良好的性能，有望成为下一代绿色高效电极材料。更重要的是，由于有机分子结构的柔性，因此，在充放电过程中，离子的嵌入和脱出不会引起材料的体积膨胀以及结构破坏，有益于提高电池的循环稳定性，延长电池的循环寿命。目前，一些有机正极材料的综合电化学性能，包括能量密度、功率密度和循环稳定性，都优于传统的无机正极材料。

然而，与无机正极材料成熟的商业应用相比，有机正极材料距离实际应用还有很长路程。常见的N型有机正极材料，例如以共轭羰基和有机二硫键为活性中心的正极材料普遍存在着氧化还原电位偏低等缺点，这极大限制了有机电池的能量密度。因此，设计开发具有高容量，高能量密度、和良好稳定性的有机正极材料十分必要。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种金属离子电池有机电极材料、电极、电池以及制备方法，采用一种新型的有机材料作为金属离子电池有机电极材料，巧妙利用的有机电极材料的结构特点和属性，使得金属离子电池具有高容量，高能量密度、良好稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种金属离子电池有机电极材料，其选自以下物质的一种或者多种：咔唑自聚物、咔唑衍生物的自聚物、咔唑与咔唑衍生物的自聚物；咔唑与还原吩嗪共聚的共聚物、咔唑衍生物与还原吩嗪共聚的共聚物；咔唑与三聚吲哚共聚的共聚物、咔唑衍生物与三聚吲哚共聚的共聚物。

进一步的，其结构通式如下P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6、P-7所述的一种：

其中，R为碳素1～10的烷基、或者R为苯基芳香环、或者R为噻吩芳香环，n为8～20的整数。优选的，R为甲基或者乙基。

进一步的，R为下列含氮稠环的一种：