[发明专利]一种PTCDI2-2Se化合物、其制备方法及其在钾离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种PTCDI2‑2Se化合物、其制备方法及其在钾离子电池中的应用。该PTCDI2‑2Se化合物，具有以下结构式：本发明基于PDI结构在不引入额外桥联单元的情况下，通过扩大相对分子量与引入额外的Se电活性位点设计出一种新的钾离子电池负极材料—PTCDI2‑2Se，该PTCDI2‑2Se化合物具有溶解度小、电子导电率高的优势；本发明通过该PTCDI2‑2Se化合物作为负极材料制备得到的钾离子电池呈现出优异的倍率性能、循环性能与能量密度。

技术领域

本发明涉及钾离子二次电池材料技术领域，尤其是涉及一种PTCDI2-2Se化合物、其制备方法及其在钾离子电池中的应用。

背景技术

目前商用的锂离子电池由于锂资源储量有限、分布不均等缺点，难以应用在规模储能体系中。钾元素与锂处于同一主族，具有相似的物理、化学性质，基于钾离子传输的电池与锂离子电池具有相似的工作原理，且钾与锂的标准电势(E_K+/K＝-2.93V，E_Li+/Li＝-3.02V，vs.SHE)相近，钾资源储量丰富，分布均匀。因此，钾离子电池被认为在新一代规模储能领域具有重要的应用价值。

然而，钾离子具有较重的相对分子质量，制约电池的能量密度。此外，其较大的离子半径使其在脱嵌过程中引发电极材料较大的体积变化，进而制约其循环稳定性与倍率性能。这种情况在具有刚性结构的无机电极材料中更为明显。与之相反，有机化合物空间结构可塑性强、分子骨架兼容性高、载流子离子半径选择性小、电活性位点可调性强、价格低廉、环境友好，更适宜作为电极材料构筑高性能的钾基离子电池。然而，多数的小分子有机电极均具有较差的电子导电率，并易于溶解于有机电解液，限制电池的倍率性能和循环寿命，难以实现商业化生产。

因此，开发具有不溶性、高电导率、高容量的新型有机电极材料对推动钾离子电池的商业化进程具有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种PTCDI2-2Se化合物、其制备方法及在其钾离子电池中的应用，解决现有技术中钾离子电池有机小分子负极材料溶解度大、电子导电率小导致钾离子电池容量保持率低、循环性能和倍率性能均较差的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的第一方面提供一种PTCDI2-2Se化合物，具有以下结构式：

本发明的第二方面提供一种PTCDI2-2Se化合物的制备方法，包括以下步骤：

将PDI2与浓硝酸在第一有机溶剂中进行硝化反应，得到PDI2-2NO₂；反应式为：

式中，R₁为C1～C30的烷基；

将PDI2-2NO₂和硒粉在第二有机溶剂中进行硒环化反应，得到PDI2-2Se；反应式为：

式中，R₁为C1～C30的烷基；

将PDI2-2Se经过煅烧得到PTCDI2-2Se；反应式为：

式中，R₁为C1～C30的烷基。

本发明的第三方面提供一种PTCDI2-2Se化合物的应用，该PTCDI2-2Se化合物用于作为钾离子电池的负极材料。

本发明的第四方面提供一种钾离子电池，包括正极、负极、隔膜以及电解液；其中，负极包括本发明第一方面提供的PTCDI2-2Se化合物以及辅助材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：