一种有机双极电极材料及其制备方法和应用

本发明涉及电池，具体而言，涉及一种有机双极电极材料及其制备方法和在碱金属离子电池中应用。

背景技术：

1、目前商业化锂离子电池所使用的无机正极材料多为含有过渡金属(如钴)的氧化物，其成本高昂，污染环境，难以满足大规模、低成本的电池储能需求。因此，开发成本低廉的新型锂离子电池正极材料迫在眉睫。

2、与无机电极材料相比，有机电极材料具有许多独特的优点，如柔性、低成本、生态友好、分子结构的可设计性，较好的电化学性能。同时，得益于有机材料更加疏松的固体晶格，有机电极材料相对于无机材料而言，能够更高效稳定地存储锂离子及其他金属阳离子。

3、当前，在锂离子电池中报道的有机正极材料多为n型材料，其氧化还原电位通常在3v(vs.li)以下。相反，具备高氧化还原电位(>3v)的有机p型正极材料在锂离子电池中却鲜有报道。另外，使用单一有机电极材料同时作为正极和负极材料(称之为双极材料)来构建对称电池的研究非常稀少，且构建的对称电池的循环稳定性极差。

4、有鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

1、现有技术存在的问题在于传统的锂离子有机电极材料同时作为正极和负极材料来构建对称电池的研究非常稀少，且构建的对称电池的循环稳定性极差，本发明目的在于提供一种有机双极电极材料及其制备方法和应用，通过对有机分子的设计与合成，以及控制反应，得到一个具备p-n结构的高性能有机双极型小分子电极材料，其n型部分能够存储碱金属离子，p型部分则能够存储电解液中的阴离子，具有不溶解的特性，将其作为唯一的电极材料同时应用在多种双离子对称电池中，能够使电池具备非常出色的能量密度、循环寿命和循环稳定性。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一方面，本发明提供一种具备p-n结构的有机双极型小分子电极材料，所述有机双极型小分子电极材料的结构式如下所示：

4、为了描述方便，将其命名为dqpz-3pxz。

5、本发明通过对有机分子进行设计与合成，得到一个具备p-n结构的高性能有机双极型小分子电极材料，其n型部分能够存储碱金属离子，p型部分则能够存储电解液中的阴离子，且具有不溶解的特性，将其作为唯一的电极材料同时应用在多种双离子对称电池中，能够使电池具备非常出色的能量密度、循环寿命和循环稳定性。

6、本发明能够作为唯一的电极材料同时应用在锂/钠/钾双离子对称电池中，即一种有机双极型电极材料能够用于构建3种碱金属双离子对称电池，大大提高了有机电极材料的适用范围，能够满足大规模、低成本的电池储能需求。

7、第二方面，本发明还提供一种有机双极型小分子电极材料的制备方法，通过4-溴苯-1，2-二胺和环己六酮八水合物反应获得中间产物，然后将中间产物与吩恶嗪反应制备获得有机双极型小分子电极材料dqpz-3pxz，反应式如下所示：

8、

9、在某一具体实施方式中，上述制备方法具体步骤包括：

10、(1)将4-溴苯-1，2-二胺和环己六酮八水合物混合置于有机溶剂一中，在惰性气氛下，于120～130℃下反应制备获得dqpz-3br；

11、(2)将吩恶嗪、dqpz-3br、x-phos、叔丁醇钠和pd2(dba)3混合后，在惰性气氛下，加入有机溶剂二，并于100～120℃下反应制备获得dqpz-3pxz。

12、在某一具体实施方式中，所述有机溶剂一包括冰乙酸和乙醇中的一种或两种；所述有机溶剂二包括甲苯、二甲苯或1,4-二氧六环。

13、第三方面，本发明还提供一种有机双极型小分子电极材料的应用，上述有机双极型小分子电极材料，或者上述有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料在碱金属离子电池中的应用。

14、在某一具体实施方式中，所述碱金属离子包括锂离子、钠离子或钾离子。

15、在某一具体实施方式中，所述碱金属离子电池为碱金属双离子对称电池。

16、第四方面，本发明还提供一种电极片，所述电极片同时作为正极片和负极片；

17、所述正极片包括有机正极材料，所述有机正极材料为上述有机双极型小分子电极材料，或者上述有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料；

18、所述负极片包括有机负极材料，所述有机负极材料为上述有机双极型小分子电极材料，或者上述有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料。

19、第五方面，本发明还提供一种电极片的制备方法，将上述有机双极型小分子电极材料，或者上述有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料与导电剂、粘结剂、溶剂混合制成浆料，然后将浆料涂在铝箔上，经干燥后制得电极片。

20、第六方面，本发明还提供一种或多种碱金属双离子对称电池，电池正极材料包括上述有机双极型小分子电极材料，或者上述有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料；和/或电池负极材料包括上述有机双极型小分子电极材料，或者上述有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料；或者电池的正极片和/或负极片包括上述电极片。具体的所述多种碱金属双离子对称电池分别为锂双离子对称电池、钠双离子对称电池和钾双离子对称电池。

21、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

22、1、本发明实施例提供的一种有机双极电极材料及其制备方法和应用，通过对有机分子的设计与合成，以及控制反应，得到一个具备p-n结构的高性能有机双极型小分子电极材料，其n型部分能够存储碱金属离子，p型部分则能够存储电解液中的阴离子，且具有不溶解的特性，将其作为唯一的电极材料同时应用在多种双离子对称电池中，具备高容量、高电位、高稳定性，能够使电池具备非常出色的能量密度、循环寿命和循环稳定性；

23、2、本发明实施例提供的一种有机双极电极材料及其制备方法和应用，能够作为唯一的电极材料同时应用在锂/钠/钾双离子对称电池中，即一种有机双极型电极材料可以用于构建3种碱金属双离子对称电池，大大提高了有机电极材料的适用范围，能够满足大规模、低成本的电池储能需求。

技术特征：

1.一种具备p-n结构的有机双极型小分子电极材料，其特征在于，所述有机双极型小分子电极材料的结构式如下所示：

2.一种有机双极型小分子电极材料的制备方法，其特征在于，通过4-溴苯-1，2-二胺和环己六酮八水合物反应获得中间产物，然后将中间产物与吩恶嗪反应制备获得有机双极型小分子电极材料dqpz-3pxz，反应式如下所示：

3.权利要求2所述有机双极型小分子电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

4.权利要求3所述有机双极型小分子电极材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂一包括冰乙酸和乙醇中的一种或两种；所述有机溶剂二包括甲苯、二甲苯或1,4-二氧六环。

5.一种有机双极型小分子电极材料的应用，其特征在于，权利要求1所述有机双极型小分子电极材料，或者权利要求2-4任一所述的有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料在碱金属离子电池中的应用。

6.根据权利要求5所述的一种有机双极型小分子电极材料的应用，其特征在于，所述碱金属离子包括锂离子、钠离子或钾离子。

7.根据权利要求5所述的一种有机双极型小分子电极材料的应用，其特征在于，所述碱金属离子电池为碱金属双离子对称电池。

8.一种电极片，其特征在于，所述电极片同时作为正极片和负极片；

9.一种电极片的制备方法，其特征在于，将权利要求1所述有机双极型小分子电极材料，或者权利要求2-4任一所述的有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料与导电剂、粘结剂、溶剂混合制成浆料，然后将浆料涂在铝箔上，经干燥后制得电极片。

10.一种或多种碱金属双离子对称电池，其特征在于，电池正极材料包括权利要求1所述有机双极型小分子电极材料，或者权利要求2-4任一所述的有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料；和/或电池负极材料包括权利要求1所述有机双极型小分子电极材料，或者权利要求2-4任一所述的有机双极型小分子电极材料的制备方法制备得到的有机双极型小分子电极材料；或者电池的正极片和/或负极片包括权利要求7所述电极片。

技术总结
本发明涉及电池技术领域，公开了一种有机双极电极材料及其制备方法和应用，所述有机双极型小分子电极材料的结构式如下所示：命名为DQPZ‑3PXZ；其制备方法为：通过4‑溴苯‑1，2‑二胺和环己六酮八水合物反应获得中间产物，然后将中间产物与吩恶嗪反应制备获得有机双极型小分子电极材料DQPZ‑3PXZ。本发明通过对有机分子的设计与合成，以及控制反应，得到一个具备p‑n结构的高性能有机双极型小分子电极材料，具有不溶解的特性，将其作为唯一的电极材料能够用于构建多种双离子对称电池中，具备高容量、高电位、高稳定性，能够使电池具备非常出色的能量密度、循环寿命和循环稳定性；大大提高了有机电极材料的适用范围，能够满足大规模、低成本的电池储能需求。

技术研发人员：李汶俊,唐武,樊聪
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21