吲哚基共轭微孔聚合物的合成及其作为负极材料的性能研究

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锂离子电池负极材料作为锂离子电池的重要组成部分,是锂离子电池性能得到提升的关键因素之一。因此,开发一种能够在大电流下充放电时具有高容量和稳定循环性能的锂离子电池负极材料就显得十分重要。近年来,采用具有氧化还原活性的有机聚合物作为锂离子电池负极活性材料,正成为该领域的研究热点。与无机金属氧化物电极相比,有机有机聚合物电极材料具有低成本、易回收和环保等优点。另一方面,吲哚以其独特的结构特点和较好的氧化还原活性,被广泛地应用到光电材料的设计和合成中。本论文的工作主要围绕吲哚基共轭微孔聚合物的合成、表征及其在锂离子电池负极中的应用,并通过理论计算探讨了所制备的负极材料的储锂机理。本文主要从以下三大内容展开:1.本文第三章通过溶胶-凝胶法制备了一种酚醛树脂类吲哚基多孔交联聚合物(IPCP),该聚合物可作为锂离子电池负极并展现出较高的比容量(50 mA g-1,501 mAh g-1)和稳定的循环性能(600次循环)。本章首次对吲哚基多孔聚合物在锂离子电池负极材料的应用进行了初步探索,在一定程度上为吲哚基聚合物在锂离子电池中的应用提供了有价值的策略。2.本文第四章以双吲哚马来酰亚胺为底物,采用无水FeCl3催化的氧化偶联聚合反应成功制备了吲哚基共轭微孔聚合物聚双吲哚马来酰亚胺(PBIM)。由于体系中可逆的阳离子-π相互作用、典型的D-π-A共轭富氮结构和丰富的微孔,使其作为锂离子电池负极活性材料展现出了高容量(50 mA g-1,1172 mAh g-1),优异的循环稳定性(1000次循环)和出色的倍率性能(214 mA h g-1,2.5C)。3.本文第五章设计并合成了一个具有大π-共轭结构的平面型三聚吲哚分子,并通过氧化偶联聚合反应成功制得交联的聚三聚吲哚(PTAT)。三聚吲哚环上的吲哚基团与锂离子之间的阳离子-π相互作用可诱导锂离子插入聚合物内部,并且使得分子间通道变宽,从而为锂离子提供了大量的容纳空间。另外,具有多重电活性的三聚吲哚单元提供了大量的反应活性位点,使得所制备的电极材料具有较高的可逆容量(100 mA g-1,892 mAh g-1),优异的倍率性能(4C,200 mAh g-1),且具有优异的循环稳定性(500次循环)。本章通过分子结构设计合成出新型的含吲哚基有机负极材料,对有机锂离子电池电极的实际应用具有潜在的意义。
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