聚1,5-二氨基蒽醌做铝离子电池正极材料及其储能机理研究

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铝离子电池(AIBs)由于在安全性、环境友好、资源储备量以及理论容量等多方面都具有一定优势,在储能领域有着广阔的发展前景。与传统电极材料相比,有机材料具有结构多样、资源丰富,以及环境友好等优点。尽管如此,有机材料的实际应用仍受到以下两个方面的限制:一是有机材料的溶解性高,这会导致电池容量迅速衰减,稳定性不甚理想;二是有机物固有的绝缘性,会导致倍率性能不甚理想。本文以1,5-二氨基蒽醌(DAAQ)为研究对象,针对其缺点,优化其电化学性能,制备出容量较高、稳定性和倍率性能较好的电极材料,具体研究内容包括以下几个部分:第一,1,5-二氨基蒽醌(DAAQ)作为一种具有潜在储铝特性的醌类小分子,先直接作为正极材料进行测试分析,然而其高溶解性严重制约电化学性能。为了解决这一问题,合成其聚合物聚1,5-二氨基蒽醌聚合物(PDAAQ),用以提高材料溶解性,从而改善其循环稳定性等电化学性能。我们首次将其作为AIBs正极材料进行测试,实验结果表明,PDAAQ聚合物作为铝离子电池正极材料较DAAQ表现出良好的循环稳定性和倍率性能。第二,根据第一部分工作的结果分析,PDAAQ聚合物作为铝离子电池正极材料展现了良好的电化学性能。进一步地,对PDAAQ进行聚合条件的优化,从三个方面(不同聚合时间、温度以及溶剂)进行探究。实验结果表明,在DMF体系中,聚合温度为20°C恒温反应48 h为最佳聚合条件,该条件下聚合所得PDAAQ做正极的AIBs电池具有优异的循环性能和倍率性能。其在0.5 A g-1的电流密度时,峰值放电比容量可达82.8 m Ah g-1,且500次循环后,容量保持率高达92.7%。并通过对充放电前后的极片进行测试,分析其反应机理是Al Cl2+与PDAAQ分子之间的配合解离反应。第三,适量添加纳米碳材料可有效地改善共轭聚合物的循环寿命,在上述研究基础上,在CNT上原位生长PDAAQ,合成出PDAAQ@CNT复合材料。其中CNT添加量为5%时,材料表现出最优异的电化学性能,在0.5 A g-1电流密度下峰值放电比容量为94.2 m Ah g-1,且经过1000次循环后放电比容量保持率为84.2%,库伦效率始终高于98%。纳米碳材料的添加提高了PDAAQ电极的容量、稳定性以及倍率性能,我们相信这种方法或许对其他共轭聚合物性能的提升也有所帮助。
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