[发明专利]二喹喔啉吩嗪衍生物及其合成方法和应用

说明书

本发明涉及二喹喔啉吩嗪衍生物及其合成方法和应用，属于锂离子电池电极材料的合成领域。步骤如下：在惰性气体保护下向反应器中加入2,3‑二氨基‑1,4‑苯基衍生物和环己六酮十水合物，溶于有机溶剂，使反应混合物在回流状态进行不断搅拌6‑48小时，反应结束后，停止加热，加水使固体产物析出，合成得二喹喔啉吩嗪衍生物，合成的二喹喔啉吩嗪衍生物在锂离子电池电极材料领域，具备广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料的合成领域，特别涉及二喹喔啉吩嗪衍生物及其合成方法和应用。

背景技术

随着电动汽车(EV)和智能可再生能源对大规模电池系统需求的增加，使用有机材料作为可再充电电池电极的前景变得越来越有吸引力。近年来，国内外涉及锂离子电池正负极材料、功能电解液的研究和应用开发相当活跃，其目的是开发低成本、高安全、高容量、大功率、长寿命、环境友好的锂离子电池。

目前，基于嵌入型金属氧化物(如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄等)正极材料的锂离子电池的比能量较低(100-265Wh kg^-1)，而且金属钴价格较贵，储量有限。满足不了将来高功率、环境友好的锂离子电池的需求。开发新的高比容量的正极材料一直受到人们的极大关注。

与无机金属氧化物电极相比，有机电极材料具有更低的环境污染，更高的安全性，并且可实现生态高效的生产和处理。除了轻便之外，有机电极还具有高能量储存能力，因为它们的结构可以在分子水平上进行设计以支持多重氧化还原反应。具有适当设计的官能团的有机化合物对锂以及一些储量丰富的金属如钠，镁，铝和锌具有电活性。人们现在正在继续探索将电活性有机化合物用于超级电容器，薄膜电池，水溶液可充电电池，锂空气电池和氧化还原液流电池等能量存储系统。

导电聚合物，有机硫化合物，稳定自由基化合物以及基于草酸盐和醌/酚盐衍生物的有机羰基化合物已被用作锂/钠离子电池中的电极材料。然而这些有机活性化合物在非质子电解质中的溶解导致其在循环过程中容量的快速衰减。对此，已经提出了各种策略来抑制有机电极材料的溶解，包括将电活性分子通过共价键连接到导电骨架上，使氧化还原活性化合物聚合，将有机羰基化合物形成盐。有机电极材料面临的另一个挑战是由于有机分子的固有电导率低而导致功率容量不足。含有杂原子(例如O，N和S)和孤对电子的π-共轭芳香族化合物表现出良好的氧化还原活性，并可用作可再充电电池的电极材料。其中，氮杂环芳香族化合物，如席夫碱聚合物[Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,5341–5345]，靛蓝胭脂红[Sci.Rep.2013,4,3650]或蝶啶[Nat.Commun.2014,5,5335]等，已经被人们用作电极材料而加以研究考察。

为了开发高能量和高功率密度的锂离子电池，克服有机分子的固有电导率低的问题，需要人们设计具有多个氧化还原中心和高导电性的有机分子。受到高迁移率有机半导体具有π共轭体系的启发，在这里，我们的思路是设计合成新的氮杂环芳香族化合物-二喹喔啉吩嗪衍生物，该类化合物中含有多个电活性吩嗪单元，可提供高容量锂储存，并且其扩展的π共轭体系有利于电极中的电荷传输。我们工作的目的是获得用于锂离子电池等储能体系的高容量有机电极材料。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种简单易行的二喹喔啉吩嗪衍生物材料的合成方法。该方法利用易得的原料，高产率合成了系列二喹喔啉吩嗪衍生物材料。该方法工艺简单，成本较低，能耗低，重现性好。该类材料在锂离子电池电极材料领域，具备广阔的应用前景。

二喹喔啉吩嗪衍生物，其特征在于：所述的二喹喔啉吩嗪衍生物结构式为

其中，所述的R为-OCH₃、-OC₂H₅、-OH或＝O中的一种；

二喹喔啉吩嗪衍生物结构如A、B、C或D所示：