[发明专利]一种氮杂芳环有机材料、正极电极、电池及制备方法

说明书

本申请提供了一种氮杂芳环有机电极材料，包括具有苯环结构，且成环的原子除了碳原子以外，还含有氮原子的有机化合物，通过调节活性位点氮原子的数目和氮杂芳环的长度，来抑制有机材料在水中的溶解，同时增强有机材料的电子传导能力，可作为电池正极材料使用，有效提升了电极材料的循环稳定性和倍率性能。另外，本申请还提供了上述氮杂芳环有机电极材料的制备方法，合成步骤简单、条件温和、价格低廉，可工业化生产。本申请还提供了包括氮杂芳环有机电极材料的正极、电池及其制备方法。

技术领域

本申请涉及电池材料制备技术领域，特别涉及一种氮杂芳环有机材料、正极电极、电池及制备方法。

背景技术

随着锂离子电池的广泛使用，锂离子电池回收技术还不成熟的背景下，造成锂资源的快速消耗，引起锂资源短缺和锂价快速上涨，使其难以满足大规模分布式储能的需求。因此，急需开发下一代新型储能系统。水系可充电电池的价格便宜、操作安全，且环境友好，可满足大规模分布式储能的需求。水系锌离子电池兼具造价低、环境友好、无毒和安全的优点，同时，锌负极具有高的理论比容量820mAh g^-1和体积理论比容量5851mAh cm^-2，锌金属的氧化还原电压为-0.76V(vs.SHE)，适合作为水系电池负极。目前，大量关于水系锌离子电池正极的研究主要集中在无机材料，如锰基氧化物、钒基氧化物和普鲁士蓝衍生物等。然而，这些材料的实际比容量低、衰减快、倍率性能和循环稳定性差，电化学性能难以达到预期。

有机电极材料，由于具有低价、环保、可持续和结构设计灵活的优点，在科研界和产业界受到了广泛的关注。通过改变有机材料上的官能团可以调节有机材料的电压，使其适合在水系电解液中工作。同时，有机物中的官能团或者苯环上的杂原子具有较高的活性，可以提供与锌离子结合的活性位点，例如，氮杂芳环上的氮原子，通过改变活性位点的数量和共轭电子数，来改变有机材料的理论比容量和电荷存储速率。通常有机物小分子具有容易合成、价格便宜和大规模生产的优点，但由于有机小分子容易溶解在电解液中，造成活性物质的损失和活性材料的在正负极之间的穿梭，导致电池的容量衰减快、循环寿命短。另外，一般有机材料的导电性比较差，不利于电池能量密度的提升。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种不易在水中溶解、导电性好、活性位点丰富的氮杂芳环有机材料及其制备方法。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

本申请目的之一提供了一种氮杂芳环有机材料，具有如下结构式：

本申请目的之二提供了一种所述的氮杂芳环有机材料的制备方法，包括下述步骤：

在空气中或惰性气体保护下，将2，3-二氨基酚嗪和环己六酮溶解于混合液体中，得到混合溶液，所述混合液体包括有机溶剂和乙酸；

在100℃～160℃温度下，将所述混合溶液冷凝回流6～36小时，然后停止加热，冷凝至室温，提取反应后的固体，并将所述固体清洗、干燥后得到固定反应物；

在所述固体反应物中加入硝酸溶液中并反应1-6小时，冷却后分离产物，并将所述产物经清洗、干燥后即可获得所述氮杂芳环有机材料。

在其中一些实施例中，在空气中或惰性气体保护下，将2，3-二氨基酚嗪和环己六酮溶解于混合液体中，得到混合溶液的步骤中，所述惰性气体为Ar或N₂。

在其中一些实施例中，在空气中或惰性气体保护下，将2，3-二氨基酚嗪和环己六酮溶解于混合液体中，得到混合溶液的步骤中，所述2，3-二氨基酚嗪与所述环己六酮的质量比≥2。

在其中一些实施例中，所述有机溶剂包括乙腈、氮甲基吡咯烷酮或乙醇中的至少一种。