本發(fā)明涉及電池，具體涉及一種n-雜環(huán)有機(jī)電極材料及其制備方法和水系鋁離子電池。

背景技術(shù)：

1、由于水系金屬離子電池具有高安全性、綠色和環(huán)保等特點(diǎn)，因此在當(dāng)前也受到了更多的關(guān)注。

2、根據(jù)已探明的情況，鋁金屬含量目前在金屬中排名第一，并且可充電鋁離子電池(aibs)因?yàn)榫哂懈呃碚撊萘恳约癮l3+/al的有利潛力，所以也賦予了其巨大的大規(guī)模儲(chǔ)能能力。并且鋁離子電池安全性高，因此鋁離子電池具有極好的應(yīng)用前景。

3、目前，電極材料分為有機(jī)電極材料和無機(jī)電極材料。無機(jī)電極材料具有比容量高的特點(diǎn)，但其存在資源有限和結(jié)構(gòu)容易崩塌的問題，并且龐大的應(yīng)用市場對無機(jī)電極材料（尤其是正極材料）的可持續(xù)性和成本問題也提出了重大挑戰(zhàn)。有機(jī)電極材料含有豐富的碳、氫、氧等元素，可以利用化學(xué)合成大規(guī)模制備。相比無機(jī)材料來說，有機(jī)化合物在低成本、結(jié)構(gòu)多樣性、設(shè)計(jì)靈活性和滿足可持續(xù)發(fā)展要求方面具有許多優(yōu)勢，并且通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以合成具有高比容量的有機(jī)電極材料，從而突破傳統(tǒng)無機(jī)材料在能量密度上的限制。此外，與無機(jī)材料相比，有機(jī)材料還可以通過調(diào)整官能團(tuán)和定制分子結(jié)構(gòu)以及不受電荷載流子選擇的限制，可適應(yīng)不同電池體系。因此，采用有機(jī)電極材料的鋁電池為可持續(xù)和大規(guī)模的能量儲(chǔ)存提供了一條有吸引力的途徑。

4、以往的研究表明，應(yīng)用于鋁電池正極的材料需考慮以下因素：

5、1、材料的能量密度，功率密度和循環(huán)壽命等電化學(xué)性能指標(biāo)能否滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

6、2、用于大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的電極材料的成本、資源可用性和熱/化學(xué)穩(wěn)定性如何。

7、然而，傳統(tǒng)的有機(jī)材料因其受限的活性位點(diǎn)、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和緩慢的氧化還原動(dòng)力學(xué)問題，導(dǎo)致其并不能很好地匹配上述需求，即：將傳統(tǒng)有機(jī)材料應(yīng)用在鋁電池正極上，限制較大，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開了一種n-雜環(huán)有機(jī)電極材料及其制備方法和水系鋁離子電池，可以解決傳統(tǒng)有機(jī)材料應(yīng)用于鋁電池正極時(shí)，因活性位點(diǎn)受限、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和氧化還原動(dòng)力學(xué)等缺陷而受到較大限制的問題。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的目的之一是提供一種n-雜環(huán)有機(jī)電極材料，其分子結(jié)構(gòu)式為：

4、。

5、本發(fā)明的目的之二是提供上述n-雜環(huán)有機(jī)電極材料的制備方法，由1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮和3,4-二氨基苯甲腈通過一步脫水縮合反應(yīng)獲得。

6、具體地，所述一步脫水縮合反應(yīng)的具體過程如下：

7、步驟1：將1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮、3,4-二氨基苯甲腈加入到體積比為1∶1的乙醇/乙酸溶液中，并超聲處理直至固體物完全溶解，獲得混合溶液；所述1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮、3,4-二氨基苯甲腈的質(zhì)量比為195~210∶110~130；

8、步驟2：對混合溶液進(jìn)行攪拌加熱，使1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮、3,4-二氨基苯甲腈完全反應(yīng)，然后冷卻至室溫；

9、步驟3：對步驟2所得溶液進(jìn)行抽濾處理，獲得目標(biāo)固體物，然后洗滌、烘干，即得n-雜環(huán)有機(jī)電極材料。

10、再進(jìn)一步地，所述步驟2中，反應(yīng)條件為70-80℃，250-300?rpm。

11、具體地，所述步驟3中，抽濾處理后，依次用乙醇、乙酸和去離子水對目標(biāo)固體物進(jìn)行洗滌。

12、本發(fā)明的目的第三是提供一種水系鋁離子電池，包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，所述正極采用上述n-雜環(huán)有機(jī)電極材料制得。

13、具體地，所述正極的制備過程如下：

14、步驟a：將重量比為6∶3∶1的n-雜環(huán)有機(jī)電極材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，并用n-甲基吡咯烷酮分散成均勻的溶液；

15、步驟b：將溶液均勻涂布在鈦箔集流體上，然后烘干，即得正極。

16、作為優(yōu)選，所述導(dǎo)電劑為科琴黑。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

18、（1）1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮主要用于制備具有特定功能的分子、合成藥物前體、催化反應(yīng)材料等，由于含有兩個(gè)吡啶配體，1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮能夠與多種過渡金屬形成穩(wěn)定的配合物，這些金屬配合物可以在化學(xué)反應(yīng)中充當(dāng)催化劑，促進(jìn)特定的轉(zhuǎn)化過程。本發(fā)明利用了1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮的上述特性，將其應(yīng)用于有機(jī)電極材料方面。本發(fā)明通過組分配比和反應(yīng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，使1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮與3,4-二氨基苯甲腈在強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中發(fā)生一步脫水縮合反應(yīng)，從而構(gòu)建出一種n-雜環(huán)有機(jī)電極材料。

19、本發(fā)明構(gòu)建的有機(jī)電極材料結(jié)構(gòu)中引入了吸電子基團(tuán)(-cn)，降低了能隙，從而促進(jìn)了分子間的電荷轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出快速的氧化還原動(dòng)力學(xué)；并且基于n-雜環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該有機(jī)電極材料中的分子之間可以形成強(qiáng)氫鍵和p-p相互作用，提高了熱力學(xué)穩(wěn)定性。因此，當(dāng)該有機(jī)電極材料作為鋁離子電池的正極材料時(shí)，-cn和c=n基團(tuán)都作為反應(yīng)活性位點(diǎn)，兩種活性位點(diǎn)都能參與反應(yīng)，提高了電池比容量，使得水系鋁離子電池具備了優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

20、（2）本發(fā)明所制備的有機(jī)電極材料，不僅原料成本低廉、對環(huán)境友好，而且采用一步脫水縮合反應(yīng)技術(shù)制備，制備過程簡單、無需多次提純，并且確保了產(chǎn)物的高純度和結(jié)構(gòu)一致性。因此，本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料在鋁離子電池上的綠色、低成本應(yīng)用提供了可行性策略，其具有非常好的應(yīng)用前景，非常適合大規(guī)模推廣。

技術(shù)特征：

1.一種n-雜環(huán)有機(jī)電極材料，其特征在于，該有機(jī)電極材料的分子結(jié)構(gòu)式為：

2.權(quán)利要求1所述的n-雜環(huán)有機(jī)電極材料的制備方法，其特征在于，由1,10-鄰二氮雜菲-5,6-二酮和3,4-二氨基苯甲腈通過一步脫水縮合反應(yīng)獲得。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的n-雜環(huán)有機(jī)電極材料的制備方法，其特征在于，所述一步脫水縮合反應(yīng)的具體過程如下：

4.?根據(jù)權(quán)利要求3所述的n-雜環(huán)有機(jī)電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，反應(yīng)條件為70-80℃，250-300?rpm。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的n-雜環(huán)有機(jī)電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，抽濾處理后，依次用乙醇、乙酸和去離子水對目標(biāo)固體物進(jìn)行洗滌。

6.一種水系鋁離子電池，包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，其特征在于，所述正極采用權(quán)利要求1所述的n-雜環(huán)有機(jī)電極材料制得。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水系鋁離子電池，其特征在于，所述正極的制備過程如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水系鋁離子電池，其特征在于，所述導(dǎo)電劑為科琴黑。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種N?雜環(huán)有機(jī)電極材料及其制備方法和水系鋁離子電池，涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，該N?雜環(huán)有機(jī)電極材料是通過脫水縮合反應(yīng)合成的一種含C=N和?CN活性單元的小分子。本發(fā)明還分別提供了上述N?雜環(huán)有機(jī)電極材料的制備方法以及利用該N?雜環(huán)有機(jī)電極材料制備的水系鋁離子電池。本發(fā)明所用原料綠色環(huán)保、價(jià)格低廉、制備工藝簡單，具有良好的應(yīng)用前景。并且采用該有機(jī)電極材料制作鋁離子電池的正極時(shí)，具有優(yōu)異的比容量、良好的倍率性能和杰出的長循環(huán)穩(wěn)定性，使得水系鋁離子電池具備了優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張龍海,曹夢鴿,張朝峰,王睿
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6