一种三嗪有机电极材料及其制备方法和应用

本发明涉及金属离子电池电极材料领域，具体是一种三嗪有机电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、现代社会对于能量的高需求促使全球能源结构从传统的化石能源向清洁的可再生能源转变。在目前可行的储能体系中，电化学储能系统如锂离子电池是应用最广泛的，已经覆盖了大部分的便携式电子设备和电动汽车等。然而锂离子电池面临着造价昂贵，金属资源有限，电解液易燃等问题，不适合大规模应用。

2、针对上述问题，水系电解液具有低成本，不易燃，高电导率，对环境要求低的特点。锌金属阳极比容量高(820mah g-1和5855mah cm-3)，氧化还原电位较低(-0.76v vs she)，并且在水中稳定性好。因此，基于水系电解液的锌离子电池是一种理想的解决方案。水系锌离子电池的正极材料极大地影响着其电化学性能，目前正极的开发多围绕金属氧(硫)化物、普鲁士蓝类似物和有机化合物等材料展开。

3、有机电极材料不含金属元素，而是由c、h、o、n和s等元素组成，可以人工合成或者从自然界直接获取；与无机正极相比，有机电极的比容量较高，其氧化还原反应通过双键的重排进行，较大的内部间隙避免了离子插入引起的巨大结构变化。即使如此，目前水系锌离子电池有机正极仍面临着电压低、电导率低、无法大批量制备等问题，严重影响其产业化应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三嗪有机电极材料及其制备方法和应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一种三嗪有机电极材料的制备方法，其包括以下步骤：

4、将用于合成三嗪化合物的单体与催化剂进行研磨混合，得到混合物；所述催化剂为无水氯化锌固体和/或含有无水氯化锌的共晶盐；

5、将所述混合物置于400℃-700℃的温度条件下进行煅烧和保温处理后，再自然降至室温，得到粗产物；

6、将粗产物进行后处理工序，得到所述三嗪有机电极材料。

7、优选地，所述单体包括但不限于1,4-对苯二腈、2-氟对苯二腈、2,5-二氰基甲苯、2,5-二氯对苯二腈、四氟对苯二腈、四氯对苯二腈、2,3,5,6-四(咔唑-9-基)-1,4-二氰基苯、1,3-间苯二腈、富马腈、2,6-二氰基吡啶、1,3,5-苯三腈、2,5-二氰基噻吩、4,4’-联苯甲腈中的至少一种。

8、优选地，煅烧和保温处理的温度为500℃-600℃。

9、优选地，煅烧处理的环境为真空环境或者保护气体氛围。

10、优选地，后处理工序具体包括以下步骤：

11、将粗产物进行球磨，并分别用稀hcl、去离子水、乙醇清洗后，再进行干燥，得到所述三嗪有机电极材料。

12、本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制得的三嗪有机电极材料。

13、本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的三嗪有机电极材料在制备金属离子电池中的应用。

14、本发明实施例的另一目的在于提供一种电池的正极，其包含上述的三嗪有机电极材料。

15、本发明实施例的另一目的在于提供一种金属离子电池，包括负极、电解液、以及上述的正极。

16、优选地，所述金属离子电池为水系锌离子电池，所述电解液为水溶液。

17、本发明提供的一种三嗪有机电极材料为碳化的非晶共价的框架材料，其可作为水系锌离子电池的正极材料。该三嗪有机电极材料不含任何金属元素、成本低廉、易于制备，同时具备高电导率和丰富的离子储存位点；将其应用在水系锌离子电池中可以实现储能器件的高容量、高倍率、高负载和长循环寿命。

18、本发明提供的一种三嗪有机电极材料，与普通的三嗪化合物相比，通过高温碳化提升材料的导电性；并将三嗪单元中的吡啶氮部分转化为吡咯氮，作为离子储存位点，同时保证了材料的高容量和高倍率性能。

19、本发明的基本思路是利用有机三嗪化合物离子结合位点丰富的优点，针对其电导率低的缺点进行改进；具体通过提升煅烧温度，制备出碳化的非晶共价三嗪化合物，以提升电导率。与以往的有机正极相比，该材料具有高电导率、制备方法简单、易于大批量制备的特点。

技术特征：

1.一种三嗪有机电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种三嗪有机电极材料的制备方法，其特征在于，所述单体为1,4-对苯二腈、2-氟对苯二腈、2,5-二氰基甲苯、2,5-二氯对苯二腈、四氟对苯二腈、四氯对苯二腈、2,3,5,6-四(咔唑-9-基)-1,4-二氰基苯、1,3-间苯二腈、富马腈、2,6-二氰基吡啶、1,3,5-苯三腈、2,5-二氰基噻吩、4,4’-联苯甲腈中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种三嗪有机电极材料的制备方法，其特征在于，煅烧和保温处理的温度为500℃-600℃。

4.根据权利要求1或3所述的一种三嗪有机电极材料的制备方法，其特征在于，煅烧处理的环境为真空环境或者保护气体氛围。

5.根据权利要求1所述的一种三嗪有机电极材料的制备方法，其特征在于，后处理工序具体包括以下步骤：

6.一种采用权利要求1-5中任一项所述制备方法制得的三嗪有机电极材料。

7.一种如权利要求6所述的三嗪有机电极材料在制备金属离子电池中的应用。

8.一种电池的正极，其特征在于，所述正极包含权利要求6所述的三嗪有机电极材料。

9.一种金属离子电池，包括负极和电解液，其特征在于，还包括权利要求8所述的正极。

10.根据权利要求9所述的一种金属离子电池，其特征在于，所述金属离子电池为水系锌离子电池，所述电解液为水溶液。

技术总结
本发明公开了一种三嗪有机电极材料及其制备方法和应用，其属于金属离子电池电极材料领域，该三嗪有机电极材料的制备方法包括以下步骤：将用于合成三嗪化合物的单体与催化剂进行研磨混合，得到混合物；所述催化剂为无水氯化锌固体和/或含有无水氯化锌的共晶盐；将所述混合物置于400℃‑700℃的温度条件下进行煅烧和保温处理后，再自然降至室温，得到粗产物；将粗产物进行后处理工序，得到所述三嗪有机电极材料。本发明提供的三嗪有机电极材料为碳化的非晶共价的框架材料，其可作为水系锌离子电池的正极材料。该三嗪有机电极材料不含任何金属元素、成本低廉、易于制备，同时具备高电导率和丰富的离子储存位点。

技术研发人员：林天全,张世从,徐阳
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12