技术摘要：
本发明涉及一种基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极，利用铵离子与吡嗪稠环半导体中芳香氮原子的配位作用，以具有多离子存储位点的吡嗪稠环半导体作为铵离子存储材料，提高水系可充电铵离子电池的比容量。本发明首次制备了在50mAg‑1电流密度下比容量达到355mA h g‑1  全部
背景技术：
水系可充电离子电池以离子盐水溶液作为电解液，在本征上解决了以有机电解液 为工作媒介的传统离子电池的安全隐患问题。另外，水系可充电离子电池还具有水系电解 液价格低廉且环境友好、电池组装过程无需无水无氧的苛刻环境等优点，在大规模电网储 能应用中具有极高的潜力和明朗的应用前景。 现有水相电池的研究大多以金属阳离子作为电荷载体，然而地球上金属元素的含 量有限且分布不均，过量、开采金属矿物会对环境造成不可逆的破坏。开发以非金属阳离子 作为电荷载体的水系电池在保护环境、维持资源的可持续性方面具有绝对的优势。与一价 金属阳离子几位类似的铵离子具有水合离子半径小、摩尔质量小、独特的拓扑化学结构、廉 价易得等优势，在电池研究的基础领域逐渐受到重视(Energy  Environ .Sci .,2019 ,12 , 3203-3224)。 然而，相比于以金属阳离子作为电荷载体的水系金属离子可充电电池，水系可充 电铵离子电池的发展极为缓慢。自2017年美国俄勒冈州立大学秀磊课题组报道了第一例 “摇椅式”的水系铵离子全电池(Angew.Chem.Int.Ed .2017,56,13026-13030)以来，迄今为 止水系铵离子电池的报道仍不满10例，且在电池性能(如比容量、能量密度等)尚落后于发 展最为成熟的水系锂离子电池。这种缓慢且落后的发展背后最为主要的原因为铵离子存储 电极材料的严重缺乏。例如，迄今为止，可用于铵离子存储的负极材料仅限于少数的普鲁士 蓝类似物和可插层金属氧化物(V2O5、h-MoO3)等无机电极材料，以及酰亚胺类(如3,4 ,9 , 1 0 － 苝 四 甲 酰 二 亚 胺 、聚 ( 1 ,4 , 5 , 8 - 萘 四 碳 二 酰 亚 胺 ) 有 机电 极 材 料 。 (J .Electrochem .Soc .2012 ,159 ,A98-A103；Chem .Commun .,2018 ,54 ,9805-9808；ACS  Appl .Energy  Mater .2018 ,1 ,3077-3083；Nanoscale  Horiz .,2019 ,4 ,991-998； J .Mater .Chem .A ,2019 ,7 ,11314-11320；Chem  2019 ,5 ,1537-1551；Adv .Mater .2020 , 1907802)上述这些已报道的负极材料在水系电解液的稳定工作电压范围内存储铵离子的 比容量有限(低于160mA  h  g-1)，组成的全电池能量密度均低于60W  h  kg-1，无法满足实际 的储能应用。因此，需要研制新的高比容量的水系铵离子电池电极。
技术实现要素：
要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种储能密度高、循环寿命长、成本 低、环境友好的水系铵离子电池电极。该电极以具有多离子存储位点的吡嗪稠环半导体为 铵离子存储材料，在不易燃的铵离子水溶液和大气环境中即可实现铵离子的电化学插入和 脱出。 4 CN 111599978 A 说　明　书 2/5 页 技术方案 一种基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极，其特征在于以吡嗪稠环芳烃为 铵离子存储材料，在铵离子水系电解质溶液和大气环境中即可实现铵离子的电化学插入和 脱出；所述的吡嗪稠环芳烃的芳烃分子中至少含有一个吡嗪单元，且为稠环结构；所述的铵 离子水系电解质溶液为以硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、氟化铵、碘化铵、溴化 铵、三氟甲磺酸铵中的一种或多种配制而成的水溶液，且其中铵盐的浓度为0.1M-21M。 所述的吡嗪稠环芳烃包括但不限于以下结构通式的一种： 结构通式中Ar基团包括芳烃和杂环芳烃，其中Ar1、Ar2和Ar3基团可以相同也可以 不同；R基团包括H、卤素、烷基、卤代烷基、氨基、羟基、烷氧基、巯基、酯基、酰基、氰基、磺酸 基、芳烃、杂环芳烃，其中R1和R2基团可以相同也可以不同。 所述的芳烃为单环或稠环芳烃，包括但不限于苯、萘、蒽、菲、芘、苝、芴及其含取代 基的衍生物。 所述的杂环芳烃为单环或稠环杂环芳烃，包括但不限于吡咯、呋喃、噻吩、噻唑、二 唑、三唑、吡啶、嘧啶、哒嗪、吡嗪、喹啉、异喹啉、喹喔啉、酞嗪、苯并噻唑、苯并二唑、菲罗啉、 咔唑、磷芴、硅芴、吩噻嗪及其含取代基的衍生物，所述的取代基包括但不限于卤素、烷基、 卤代烷基、氨基、羟基、烷氧基、巯基、酯基、酰基、氰基、磺酸基、芳香基或杂环芳香基。 一种基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极的制备方法，其特征在于步骤如 下： 步骤1：将吡嗪稠环芳烃化合物与导电剂、粘结剂、溶剂混合均匀，形成电极浆料； 吡嗪稠环芳烃化合物、导电剂、粘结剂的质量比例为6:3:1-9:0:1； 步骤2：将上述混合均匀的电极浆料涂覆在集流体上，形成极片； 步骤3：将上述极片置于真空烘箱中烘烤干燥，干燥温度为25～200℃，干燥时间为 1～36h。 所述的溶剂为有机溶剂包括但不限于去离子水以及N-吡咯烷酮、二甲基亚砜、二 甲基甲酰胺。 一种基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极的测试方法，其特征在于在三电 极体系中进行的，所述的三电极体系制备和组装过程如下： 步骤1：以活性炭与导电剂、粘结剂混合制备活性炭对电极极片； 5 CN 111599978 A 说　明　书 3/5 页 步骤2：用隔膜材料将制备的基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极和活性 炭对电极极片隔开，放入电池壳中，注入铵离子水系电解质溶液中的一种作为电解液； 步骤3：插入参比电极； 步骤4：进行电池性能测试。 所述的参比电极包括但不限于Ag/AgCl电极、甘汞电极。 有益效果 本发明提出的一种基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极，与现有水系可充 电铵离子电池技术相比较，本发明具有如下有益效果：利用铵离子与吡嗪稠环半导体中芳 香氮原子的配位作用，以具有多离子存储位点的吡嗪稠环半导体作为铵离子存储材料，提 高水系可充电铵离子电池的比容量。本发明首次制备了在50mA  g-1电流密度下比容量达到 355mA  h  g-1的基于吡嗪稠环半导体的水系铵离子电池电极，该电极在600mA  g-1电流密度 的快速放电下比容量仍可达到190mA  h  g-1。 附图说明 图1是本发明实施例1制备的吡嗪稠环半导体DQP的结构式； 图2是本发明实施例1制备的基于吡嗪稠环半导体DQP的水系铵离子电池电极的充 放电曲线图； 图3是本发明实施例1制备的基于吡嗪稠环半导体DQP的水系铵离子电池电极的倍 率性能曲线图； 图4是本发明实施例2制备的吡嗪稠环半导体DPQDPP的结构式； 图5是本发明实施例2制备的基于吡嗪稠环半导体DPQDPP的水系铵离子电池电极 的充放电曲线图。