含硼聚合物的合成及锂离子电池性能的研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:llsnow_2009
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在过去的几十年中,锂离子电池(LIBs)凭借其高能量密度和长循环寿命而取得了惊人的进步,并广泛用于便携式电子产品中。与负极材料相比,设计高容量、低成本和环境友好型的锂电池正极材料具有挑战性。在LIBs中,正极材料通常是过渡金属化合物,但它们存在许多缺点,如有毒、原材料有限以及废物处理繁琐等。研究表明,有机化合物由于其固有的优点,如重量轻、对环境污染小、机械柔韧性和可加工性良好,可替代过渡金属化合物作为正极材料。有机电极材料主要包括有机导电聚合物(如聚苯胺、聚噻吩和聚酰亚胺)、有机硫化合物、羰基化合物和稳定的自由基聚合物。但有机活性材料高溶解性、可逆容量有限以及差的导电率等因素制约着有机电极材料的发展。硼位于元素周期表中的第十三族,其电子比碳少一个。近年来,含硼材料由于独特的缺电子性能而备受关注。大量研究表明,硼的引入或掺杂可以显著地改善电极材料的电化学性能,但物理手段的引入或掺杂,难以做到定点和定量的控制。另外据我们所知,含硼聚合物用作电池电极材料的研究还鲜有报道。基于以上原因,本论文合成出两类含硼有机聚合物,并探索它们作为电极材料的电化学性能,分别从含硼单体的结构和含量两个方面对电化学性能的影响进行考察。主要研究内容如下:(1)成功合成出以三芳基硼为中心,蒽醌为连接单元的聚合物B-AQ,并研究了电解液和导电碳含量对B-AQ电化学性能的影响。结果表明,B-AQ在1 M LiTFSI的DOL/DME电解液中和60 wt%含量的导电碳下具有出色的电化学性能。由于三芳基硼特殊的空间结构,使得聚合物B-AQ具有类似蜂巢的结构抑制了其在电解液中的溶解,导致其具有出色的循环稳定性。在1-3.5 V(vs.Li+/Li)的电压窗口内,1 A g-1的电流密度下,经过500圈循环后,B-AQ扣式电池的放电容量为92.2 mAh g-1,保留了其初始放电容量的86.3%。(2)设计合成了一系列具有不同PSBpin单元含量的新型有机自由基电池正极材料PTMA-PSBpin,并阐明了PSBpin含量对电化学性能的影响。当活性物质含量为50 wt%时,不同PSBpin单元含量的PTMA-PSBpin电极都具有较高的比容量、长循环稳定性和出色的倍率性能。与PTMA-PSBpin-1和PTMA-PSBpin-2两个电极相比,PTMA-PSBpin-3电极具有最小的电压间隔(ΔV),这是因为更高含量的PSBpin单元增强了正极材料的导电性,并降低了其欧姆电阻。此外还利用电子顺磁共振光谱进一步揭示了PTMA-PSBpin电极在充放电过程中的氧化/还原机理。
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