共轭羰基聚合物在新型二次电池中的应用研究

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锂离子电池由于其所具备的高能量密度,长循环寿命和无记忆效应等优点,现已广泛用于储能装置中。水系锌离子电池由于其有较高的安全性、相对低廉的成本和环境友好的特性,近年来也受到了高度关注。相对于目前使用广泛的无机电极材料,有机化合物具有天然可再生性、设计灵活、资源丰富等优点,被认为是很有前途的电极材料。基于此,本文以共轭羰基有机化合物为基础,构建了一系列共轭羰基聚合物,并深入研究了它们在作为二次电池电极材料时的电化学特性。具体研究内容如下:(1)将2,3,5,6-四(氨基)对苯醌(TABQ)和萘四甲酸酐(NTCDA)/均苯四甲酸酐(PMDA)通过缩聚反应合成了两种富含杂原子氮/氧的梯型聚合物(TNL和TPL)。得益于多环芳烃体系的刚性骨架、大共轭结构和杂原子驱动的超锂化过程。当用作锂离子电池的负极材料时,它们都显示出了较大的比容量以及良好的长循环稳定性。特别是,TNL在50 m A g-1的电流密度下,具有1154 m Ah g-1的高比容量,在1 A g-1的大电流密度下循环1000次后容量保持率为75.2%的良好循环性能,以及在2 A g-1电流密度下也能实现280 m Ah g-1可逆容量的优异倍率性能。另外,还将TNL基负极和Li Co O2基正极配对组合成全电池,表明其实际应用的可行性。(2)将2,3,5,6-四(氨基)对苯醌(TABQ)和联苯二甲醛(BPDA)/对苯二甲醛(BDA)通过席夫碱反应合成了两种由亚胺键连接的含羰基共轭微孔聚合物,并将其原位生长在碳纳米管表面构建成复合材料(TABQ-BPDA@CNT和TABQ-BDA@CNT)。得益于大量氧化还原活性基团、稳定的π共轭骨架,以及清晰的孔径结构。在作为锂离子电池的负极材料时,TABQ-BPDA@CNT在50 m A g-1的电流密度下有737.2 m Ah g-1的比容量,而在1 A g-1的电流密度下循环1000次后仍具有521.2 m Ah g-1的比容量,显示出优异的循环稳定性。以及在2 A g-1的大电流密度下仍可保持221.5 m Ah g-1放电比容量的良好倍率表现。(3)将2,3,5,6-四(氨基)对苯醌(TABQ)与有机羧酸类化合物通过溶剂热缩聚反应合成了一系列由咪唑基团连接的共轭羰基聚合物TABQ-H3BTB,TABQ-BTA和TABQ-PTA。作为水系锌离子电池的正极材料时,TABQ-H3BTB由于其精确的孔径、较大的比表面积和稳定的共轭骨架显示出更好的电化学性能。在50 m A g-1的电流密度下,表现出314 m Ah g-1的可逆容量。以及在1 A g-1下经历600个充放电循环后,容量保持率为85.3%的良好稳定性。并且在2 A g-1的大电流密度下仍具有165 m Ah g-1比容量的良好倍率性能。此外,还通过理论计算和综合表征深入分析了TABQ-H3BTB中Zn2+/H+共同作用的电荷存储机制。
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