[发明专利]用于锂电池的有机正极材料的多羰基氮杂环有机化合物及其制备方法

说明书

本发明涉及锂电池电极材料的多羰基氮杂环有机化合物，属于锂电池电极材料的制备领域。多羰基氮杂环有机化合物的制备方法为：将芳香羧酸酐和氨基氮杂环化合物，溶于合适的有机溶剂中，在氮气或氩气保护和回流温度下，反应一段时间后，再降温，过滤，洗涤，得到固体的多羰基氮杂环有机化合物。所得多羰基氮杂环有机化合物用于制备锂电池电极材料具有一定的比容量和优良的循环稳定性。该发明方法工艺简单、成本较低、能耗低、重现性好、性能优异，适于工业生产。

技术领域

本发明属于锂电池电极材料的制备领域，特别涉及用于锂电池的有机正极材料的多羰基氮杂环有机化合物及其制备方法。

背景技术

经济的持续发展之下人们也将面临能源危机带来的巨大挑战。在这样的环境之下，人类未来将更加依赖于可再生能源。由于这些能源大都受到地域性和间歇性的影响，寻求新型绿色环保能量储存和转换装置成为研究热点。近十几年来，锂电池等新型储能装置发展迅速。其中锂电池因其具有较大的能量储存能力，且开发效益高和低成本等诸多优点最具发展潜力。然而，兴起的混合动力车和电动汽车对能量的储存要求越发的高；另一方面，可穿戴设备的兴起也对相应的储能体系，以及构建储能体系的电极材料提出了新的要求；锂电池的发展已经满足不了人们对能源的需求。作为传统的锂电池的正极材料主要以钴、镍、锰的无机氧化物，其中的钴资源稀缺昂贵，且有毒性污染环境等缺点，限制了锂电池市场的发展。为了贯彻可持续发展的理念，环境友好型电极材料的开发符合清洁和可持续的锂电池发展需求。有机正极材料被视为具有“绿色可持续”概念的锂电池的理想电极材料。电活性有机材料大致可以分为以下几类：导电聚合物，有机硫化合物，有机自由基化合物和有机羰基化合物。在这四种类型有机材料中，有机羰基化合物由于具有高的容量，尤其受到人们的极大关注。但是，有机羰基化合物正极材料存在导电性能差以及在电解质中易溶解损失的缺点。为了克服溶解性问题，人们采用了以下方法：聚合小分子羰基化合物(Adv.Mater.,2007,19,1616-1621；J.Am.Chem.Soc.,2015,134,19694-19700.)、采用固态电解质(J.Power Sources,2013,221,186–190)，优化分子结构(Nat.Mater.,2011,10,947-951)和构建碳材料支持的有机复合材料(Adv.Mater.,2014,26,2558-2565；Carbon,2017,116,154-166)。在这里，我们提出了一种新的优化分子结构的方法，将氮杂环引入到多羰基化合物中，获得了一类新的多羰基氮杂环有机化合物。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种可用作锂电池正极片的活性物质的多羰基氮杂环有机化合物，及其简单易行的制备方法，并研究其作为锂电池电极材料的性能。该制备方法利用易得的原料，采用液相法，高产率合成了一系列多羰基氮杂环有机化合物。该方法工艺简单，成本较低，能耗低，重现性好，性能优异。所制备的多羰基氮杂环有机化合物作为锂电池的电极材料时，具有优良的循环稳定性和合适的比容量，其中多羰基氮杂环有机化合物(化合物A,其结构简式见后面)作为锂电池正极材料展示出的合适比容量(第一次放电的的比容量为58.4mAh g^-1)和优良的循环稳定性，循环250次后，其库仑效率几乎接近100％。

基于上述目的，本发明所采用的技术方案如下：提供一类多羰基氮杂环有机化合物，其通式为：

通式中的R官能团为1-2-4-三氮唑基4H-1-2-4-三氮唑基2-咪唑基4-咪唑基2-苯并咪唑基中的任意一种，其相应的化合物的结构简式如式A至式J：

本发明还提供上述多羰基氮杂环有机化合物的合成方法，按照下述步骤进行：

将芳香羧酸酐和氨基氮杂环化合物，溶于合适的有机溶剂中，在氮气或氩气保护及回流温度下反应，反应结束后，再降温，冰浴冷却析出，再经过滤，水洗，得到固体的多羰基氮杂环有机化合物。其中氨基氮杂环化合物：芳香羧酸酐(摩尔比)＝1.5～3:1