[发明专利]一种卟啉化合物及其制备方法和在二次电池正极材料中的应用

说明书

本发明公开了一种卟啉化合物及其制备方法和在二次电池正极材料中的应用。本发明通过在卟啉结构单元上引入不同的活性官能团，因卟啉分子结构中包含多活性位点，作为电极活性材料具有超高理论比容量、放电电压、以及功率密度。本发明的卟啉化合物结构稳定、热稳定性好、材料普通易得、生产成本低。将该卟啉化合物应用于碱金属离子电池或碱土金属离子电池中，结果显示，所得电池具有良好的放电比容量和优异的循环稳定性，且展示了优异的能量密度和功率密度，在电化学储能领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及正极材料的制备方法，尤其涉及一种卟啉化合物及其制备方法和在二次电池正极材料中的应用。

背景技术

随着化石能源的损耗殆尽，人类越来越意识到寻找可再生能源以及储能材料的重要性。自锂离子电池的商业化以来，在极大推动现代社会发展的同时，也为新能源的开发和利用提供了高效存储器件。锂离子电池是通过电化学反应进而存储能量，通常以无机化合物作为正极材料，具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应广泛用于3C、电动汽车等领域。近年来，随着全球电动汽车的快速发展的驱动以及大规模储能的需求，进一步推动了锂离子电池的发展。然而，传统锂离子电池正极材料存在包含价格昂贵且环境不友好的钴元素等，且其能量密度难于提高等亟待解决的问题，因此开发新一代高性能储能正极材料成为了当务之急。

与钴酸锂等传统正极材料相比，有机正极材料具有价格低廉，原料来源广，合成简易且可控，绿色环保等一系列优势。有机材料的灵活多样性使得它可以设计含不同官能团从而可制备高理论比容量、高功率密度的电极材料，并可以通过简单的化学方法对其可进行高效再生回收，且具有环境友好性。但有机材料的高溶解性和低电子导电性制约着其发展和应用，因此如何解决有机材料的高溶解性和低电子电导率是发展有机材料在电化学储能领域应用的关键。

卟啉作为一种共轭大环含杂原子的有机物，曾被广泛地用于催化和太阳能电池领域。其多电子转移的机理使得它能够为二次电池提供高的放电比容量，同时其较小的能垒使得它能够快速地转移电子，具有类似超级电容器的赝电容性质。通过增加合适的官能团活性位点，或者配位不同金属等一系列措施不仅能提高电池的能量密度，而且也有利于其克服传统有机材料溶解性和导电率的问题，因此开发具有多活性位点、结构稳定的卟啉材料衍生物在储能领域具有潜在的应用价值。

发明内容

针对上述有机分子在电化学储能过程中高溶解性和低电导率以及理论容量低等问题，本发明提供了在卟啉化合物分子上增加不同配位金属中心，通过引入活性官能团增加其理论比容量，引入炔基官能团增加材料的导电性及降低溶解性，将其应用在锂离子电池体系。所得卟啉化合物具有优异的结构稳定性、良好的电子电导率、超高的比容量，在电化学储能领域具有潜在的应用价值，既可用于锂离子电池，也可用于钠离子电池、钾离子电池体系以及多电荷的钙离子和镁离子电池体系。

本发明的技术方案为：

1.一种卟啉化合物，其结构通式如式(I)所示：

其中，M为H、Cu、Zn、Co、Ni、Fe、Mg、Mn中的一种；

且Ar₁、Ar₂、Ar₃、Ar₄独立地为式(II)所示结构的一种(因为独立，Ar₁、Ar₂、Ar₃、Ar₄可以相同或者不同)：

R₁～R₅独立地为氢原子，或者碳原子个数为1～10的直链、支链、环状烷基链或烷氧基链，R₁～R₅中的一个或两个以上的碳原子能够被芳基、烯基、炔基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基或硝基取代，氢原子能够被卤素原子、芳基、烯基、炔基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基或硝基取代，X原子为O,N,S,Se中的一种。