作为电极材料的稠合芳族分子

一般地描述了包含稠合芳族体系的组合物以及相关的电极、电化学电池和电荷存储装置。

背景技术：

1、超级电容器(supercapacitor，sc)是与锂离子电池(lithium-ion battery，lib)相比提供高的功率密度和长期循环稳定性的能量存储装置。然而，使用多孔碳作为电极材料的典型sc的能量密度比lib低两个数量级。在保持sc的高功率的同时弥补能量密度的这种差距是朝向制造理想存储装置的挑战。弥补能量密度的差距的一种策略是使用赝电容性电极材料。例如，无机氧化物可以经历快速法拉第过程并提供与电池相当的电荷存储(约160mah/g)，同时以更快的时间尺度秒发挥作用。然而，最佳表现的无机氧化物(例如，含水贵金属氧化物例如ruo2·xh2o和iro2·xh2o)对于在sc中的商业使用而言是过于昂贵的。

技术实现思路

1、一般地描述了包含稠合芳族体系的组合物以及相关的电极、电化学电池和电荷存储装置。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案和/或一种或更多种体系和/或制品的复数种不同用途。

2、根据一些实施方案，描述了组合物，所述组合物包含以下结构的双-四氨基-苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物：

3、

4、根据某些实施方案，描述了电极，所述电极包含以下结构的双-四氨基-苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物：

5、

6、根据一些实施方案，描述了电化学电池，所述电化学电池包括第一电极、第二电极和电解质，其中第一电极和/或第二电极为如上所述的电极，例如包含以下结构的双-四氨基-苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物的电极：

7、

8、根据某些实施方案，描述了电化学活性电荷存储材料，所述电化学活性电荷存储材料包含活性材料，所述活性材料包含含有碳原子、氢原子和各自替代碳原子的复数个杂原子的稠合芳族体系，其中碳原子与杂原子的比率为大于1至小于2，其中复数个杂原子包括n、o、s和/或se。

9、根据一些实施方案，描述了电化学活性电荷存储材料，所述电化学活性电荷存储材料包含活性材料，所述活性材料包含含有碳原子、氢原子和各自替代碳原子的复数个杂原子的稠合芳族体系，其中稠合芳族体系的至少一部分经由一定数目的氢键合相互作用而呈平面构型和/或二维构型，其中氢键合相互作用的数目为每摩尔碳原子大于或等于0.3至小于或等于1个氢键。

10、根据某些实施方案，描述了电荷存储装置，所述电荷存储装置包含含有活性材料的电化学活性电荷存储材料，其中活性材料包含含有碳、氢和替代碳原子的一个或更多个杂原子的稠合芳族体系，其中电化学活性电荷存储材料的充电容量为每克活性材料大于或等于100mah，以及/或者电化学活性电荷存储材料的充电容量为每克电化学活性电荷存储材料大于或等于50mah。

11、根据一些实施方案，描述了电荷存储装置，所述电荷存储装置包含含有活性材料的电化学活性电荷存储材料，其中活性材料包含含有碳、氢和替代碳原子的一个或更多个杂原子的稠合芳族体系，其中电化学活性电荷存储材料设置在电解质中，以及与电解质的ph值为大于2至小于12时相比，当电解质的ph值为大于或等于0至小于或等于2或者大于或等于12至小于或等于15时，电化学活性电荷存储材料的充电容量大至少50％。

12、根据某些实施方案，描述了电荷存储装置，所述电荷存储装置包含含有活性材料的电化学活性电荷存储材料，其中活性材料包含含有碳、氢和替代碳原子的一个或更多个杂原子的稠合芳族体系，其中，电化学活性电荷存储材料在相对于li+/li标准参比电极高于2.0v的电压下输送其充电容量的至少90％。

13、根据一些实施方案，描述了电荷存储装置，所述电荷存储装置包含含有活性材料的电化学活性电荷存储材料，其中活性材料包含含有碳原子、氢原子和各自替代碳原子的复数个杂原子的稠合芳族体系，其中每摩尔杂原子的作为电荷存储的电子的摩尔比为大于或等于0.3至小于或等于0.6。

14、根据某些实施方案，描述了电荷存储装置，所述电荷存储装置包含含有活性材料的电化学活性电荷存储材料，其中活性材料包含有机材料，其中活性材料在环境温度和压力下的溶解度为每升溶剂小于或等于1毫摩尔，以及电化学活性电荷存储材料在至少20,000次循环之后具有大于或等于85％的充电容量保持率。

15、当结合附图考虑时，根据以下对本发明的多个非限制性实施方案的详细描述，本发明的其他优点和新特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。如果通过引用并入的两个或更多个文献包括相对于彼此冲突和/或不一致的公开内容，则应以生效日期在后的文献为准。

技术特征：

1.一种组合物，包含：

2.一种电极，包含：

3.根据权利要求2所述的电极，包含复数种双-四氨基-苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物。

4.根据权利要求3所述的电极，其中所述复数种双-四氨基-苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物的至少一部分经由氢键合以平面构型和/或二维构型彼此相互作用。

5.根据权利要求3至4中任一项所述的电极，其中所述复数种双-四氨基-苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物的至少一部分经由π-π相互作用以三维堆叠构型彼此相互作用。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的电极，其中所述电极的电导率大于或等于10-7s/cm。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的电极，其中所述电极的比电容大于或等于300f/g。

8.根据权利要求7所述的电极，其中所述比电容在0.2mv/秒的扫描速率下测量。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的电极，其中所述电极的循环性能为大于或等于20,000次循环。

10.根据权利要求9所述的电极，其中所述循环性能在30mv/秒的扫描速率下测量。

11.一种电化学电池，包括：

12.根据权利要求11所述的电化学电池，其中所述电解质为ph大于或等于0至小于或等于2的液体电解质。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的电化学电池，其中所述电解质为ph大于或等于12至小于或等于15的液体电解质。

14.一种电化学活性电荷存储材料，包含：

15.一种电化学活性电荷存储材料，包含：

16.一种电荷存储装置，包含：

17.根据权利要求16所述的电荷存储装置，其中所述充电容量以小于60秒的充电和/或放电速率输送。

18.一种电荷存储装置，包含：

19.一种电荷存储装置，包含：

20.一种电荷存储装置，包含：

21.一种电荷存储装置，包含：

22.根据权利要求16至21中任一项所述的电荷存储装置，其中所述电荷存储装置为电容器。

23.根据权利要求22所述的电荷存储装置，其中所述电容器为超级电容器。

技术总结
一般地描述了包含稠合芳族体系的组合物以及相关的电极、电化学电池和电荷存储装置。优选地，芳族包含双‑四氨基‑苯醌分子和/或其互变异构体、低聚物和/或聚合物。或者，芳族组合物包含活性材料，所述活性材料包含含有碳原子、氢原子和各自替代碳原子的复数个杂原子的稠合芳族体系。

技术研发人员：米尔恰·丁卡,哈里什·班达,陈天阳
受保护的技术使用者：麻省理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27