[发明专利]一种基于吩嗪衍生物的网状聚合物有机电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于吩嗪衍生物的网状聚合物有机电极材料及其制备方法和应用。所述有机电极材料net‑p‑PZ以二氢吩嗪和N,N'‑二苯基‑5,10‑二氢吩嗪同时作为活性中心和桥接基团，形成以N,N'‑二苯基‑5,10‑二氢吩嗪作为中心向外放射共聚的网络状聚合物。net‑p‑PZ网状聚合物具有优异的热稳定性，在电解液中不易溶解，并且网状结构有利于离子传输和电解液浸润，其作为有机正极材料具有较优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及有机电极材料领域，特别涉及一种基于吩嗪衍生物的网状聚合物有机电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为便携式电子产品的主要储能设备，也是电动汽车和智能电网的主要电源。然而，传统的锂离子电池由无机电极材料组成，如LiCoO₂、和石墨，其制造和回收会释放大量的CO₂，并且需要大量的能源消耗。此外，无机正极中的有毒重金属(Co等)会造成严重的环境污染。因此，为了规避对环境的负面影响，寻找绿色和可持续的材料作为可充电电池中无机电极材料的替代品非常重要。有机电极材料由于成本低、资源丰富、环境友好、高可持续性和有机化合物的可回收性而成为绿色和可持续锂离子电池的有希望的候选者。迄今为止，有机电极材料已应用于各种可充电电池，包括非水系锂离子、钠离子、钾离子、双离子电池、多价金属电池、水系电池、全固态电池、氧化还原液流电池，可在高温、低温、高pH值、低pH值、大气(有/无O₂)等极端条件下使用。尽管有机电极材料取得了巨大成功，但有机电池仍面临两大挑战：(1)低电子电导率限制了有机电池的反应动力学；(2)有机电极材料在电解质导致容量快速衰减。

网状聚合物是指分子链之间通过化学键相连接形成的三维网状结构的大分子，即所谓的交联结构。由于网状高分子链之间已经通过化学键接了起来，因而它具有不溶不熔的特点。网络聚合物一般为热固性聚合物，由于强共价交联因此加热时不会软化。热固性聚合物通常比热塑性塑料更硬，更强，并且具有更好的尺寸稳定性。将网状的导电聚合物作为电极材料可以有效避免其在电解液中溶解，从而有利于提升电池的循环稳定性和寿命。

发明人早期曾提出中国CN113979957A一种自交联十字形的有机正极材料及其制备方法和应用，给出了如下吩嗪衍生物作为金属离子电池的正极材料，其中R1～R12彼此相同或不同，分别独立地选自-H、-CN、-F、-Cl、-Br、-CH3、-Et、-nPr、-iPr，-nBu，-tBu，-OMe，-OEt、-OiPr、-OtBu、-Ph、-Tol和-PhOMe。此分子材料结构仍为一维链状材料，未涉及到分子结构拓展到二维结构的特殊性质，因此其仍存在部分无序堆积的不足。

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发明内容

基于以上有机电极材料面临的挑战和设计构思，本发明的第一个目的是通过合理的结构设计，提供一种基于吩嗪衍生物的网状聚合物有机电极材料。

一种基于吩嗪衍生物的网状聚合物有机电极材料net-p-PZ，结构通式如下：

其中，m为大于等于1的整数，n为大于等于1的整数。

由于小分子有机物容易在电解液的有机溶剂中溶解并在电池内部穿梭，不仅会使电池容量衰减，且易导致电池内部短路。通过将小分子聚合，形成具有较大分子量的网状聚合物，能够较好的抑制有机材料在有机溶剂中的溶解。因此本发明提出的聚合物电极材料net-p-PZ的聚合度m+n大于等于2，以保证电极材料不易溶解于电解液中。

本发明的第二个目的是提供所述基于吩嗪衍生物的网状聚合物有机电极材料net-p-PZ的制备方法，具体步骤如下：

步骤(1)、5，10-二氢吩嗪的合成