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目前,锂离子电池的研究已经达到瓶颈,且有毒的金属盐会对环境造成破坏,不符合可持续发展的理念。因此发展资源丰富,环境友好的新型储能电极材料势在必行。有机电极材料的兴起为锂离子电池的发展带来了曙光。如今,有机电极材料中最具代表性的是羰基化合物和导电聚合物,它们已经作为电极材料被应用了几十年,各有优劣。羰基化合物作为锂离子电池电极材料是通过可逆的氧化还原反应进行储能,保证了锂离子电池客观的容量,但是其碳氧阴离子不稳定,需要连接有利于稳定的共轭官能团。导电聚合物作为锂离子电池的电极材料,凭借共轭体系可以实现快速高效的电荷转移,但是其反应活性和储能容量不足,难堪大用。本文研究了既具有羰基化合物性质,又具有导电聚合物共轭结构的吡咯并吡咯基化合物。同时,利用聚合物不易溶于有机溶剂的特点,制备了具有良好稳定性的吡咯并吡咯基聚合物,探究其在锂离子电池中的应用。为进一步提高电极材料的稳定性和电导率等性质,将吡咯并吡咯基聚合物与石墨烯复合,获得了具有更高的稳定性和容量性能的锂离子电池负极材料。具体内容如下:1.吡咯并吡咯基聚合物的合成及其在锂电中的应用:利用Suzuki反应制备了在N位含有己基和乙酸叔丁酯基,在噻吩的两端含有1-辛基壬基咔唑基团和二辛基芴基的四种吡咯并吡咯基聚合物,分别命名为PCTDPPBA(含咔唑基和叔丁酯基基团)、PFTDPPBA(含芴基和叔丁酯基基团)、PCTDPPDO(含咔唑基和己基基团)和PFTDPPDO(含芴基和己基基团)。在相同的测试条件下,PCTDPPBA电极具有最佳的电化学性能,在100 m A/g电流密度下充放电循环500次后,其放电比容量仍有357 m Ah/g,此时其容量保持率高达82%。因为1-辛基壬基咔唑基团和乙酸叔丁酯基团为聚合物材料电极提供了锂离子嵌入和反应的活性位点,从而提高了聚合物电极的容量性能。PFTDPPDO电极具有最佳的循环稳定性,在100 m A/g电流密度下充放电循环500次后,其循环稳定性高达92%,因为在分子结构上己基和芴基取代基调节了聚合物电极的电导率,使其具有优异的导电性。通过比较这四个聚合物电极具体的电化学性能,我们发现PCTDPPBA电极具有较大的容量和较好的循环稳定性能,更适合用作锂离子电池的负极,在1000 m A/g的电流密度下充放电循环1000次后,放电比容量仍有203.6 m Ah/g,循环稳定性高达88.8%,此时能量密度和功率密度分别为98 Wh/kg和247.6 W/kg。通过合理的分子设计,吡咯并吡咯基聚合物有望成为锂离子电池理想的电极材料。2.吡咯并吡咯基聚合物/还原氧化石墨烯复合电极材料的制备及其在锂离子电池中的应用:聚合物电极PCTDPPBA和PFTDPPBA在上述四种聚合物电极材料中具备较好的氧化还原能力,但是它们较差的容量保持率和电导率制约了它们在锂离子电池中的进一步应用。还原氧化石墨烯凭借优异的导电性和稳定的共轭结构的特性,经常应用在聚合物电极材料的掺杂中。通过将PCTDPPBA和PFTDPPBA两种聚合物取代基末端的叔丁基酸化脱除之后分别得到两种含有羧酸官能团的聚合物PCTDPPC和PFTDPPC。利用自组装的方法将其与石墨烯进行复合,得到PCTDPPC/RGO和PFTDPPC/RGO两种复合材料。经试验发现,PCTDPPC/RGO具有更好的电化学性能,在100 m A/g电流密度下循环500圈后仍具有1583 m Ah/g的比容量,且容量保持率高达91%,其在性能上要明显优越于聚合物PCTDPPBA(比容量为357 m Ah/g,循环稳定性为82%)。对于PFTDPPC/RGO复合电极材料,在100 m A/g电流密度下循环500圈后比容量仅为787 m Ah/g,循环稳定性为78%,在性能上仍比聚合物PFTDPPBA(比容量为298 m Ah/g,循环稳定性为70%)好。这主要归因于石墨烯材料良好的电荷转移载体,提供了高效的反应平台。此外,羧酸官能团与氧化石墨烯之间产生了一定的价键联系,使得复合材料容量性能高于石墨烯材料本身(理论容量744 m Ah/g)。PCTDPPC/RGO复合电极在1000 m A/g电流密度下循环1000次后仍具有856 m Ah/g的比容量,且与初始比容量相比循环稳定性达83%,能量密度与功率密度分别为558Wh/kg和356.2 W/kg。因此,吡咯并吡咯基聚合物/还原氧化石墨烯复合材料在锂离子电池领域具有巨大的应用潜力。