含氮有机微孔聚合物的合成及在新型二次电池中的应用

作     者：王语农 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕晓玲

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锂离子电池 微孔聚合物 正极材料 负极材料 全有机电池 

摘      要：锂离子电池(LIB)由于具有高比容量、长循环寿命和安全无污染等优点已经被用作重要的储能装置。当前锂离子电池主要使用无机电极材料,其具有的比容量有限、资源匮乏以及对环境不友好等缺点不利于锂离子电池的可持续性发展。而有机化合物则具有原料易得,环境友好等优点,特别是其结构多样性使其具有多种氧化还原活性中心。含氮有机微孔聚合物由于具有高效的氮活性中心,丰富的微孔结构以及低的溶解度,已经成为一种极具前景的有机电极材料。因此,本文合成了一系列的含氮有机微孔聚合物,并测试其电化学性能。具体研究的结果如下:(1)设计合成了一种稠合芳族吡嗪基聚合物(HAHK-MOP),该聚合物中具有丰富的活性位点N以及共轭结构,将其应用为LIBs电极材料,表现出良好的电化学性能。作为正极材料时,HAHK-MOP在50 m A g下具有148.8/93.1 m Ah g的首圈充放电比容量。即使在1000 m A g时,进行1000圈充放电后仍具有84.3 m Ah g的可逆放电比容量。作为负极材料时,HAHK-MOP在50 m A g具有570.2/1361.1 m Ah g的初始充放电比容量,并且表现出较好的倍率性能。(2)设计合成了一种氮杂融合的吡嗪基聚合物(PHATN),进一步扩展了共轭结构,增加了活性位点N,将其应用为LIBs电极材料,表现出增强的电化学性能。PHATN作为正极材料时,在50 m A g时具有130.2 m Ah g的初始放电比容量,在1000 m A g时,循环500圈后保持52.9 m Ah g的放电比容量。PHATN作为负极材料时,在50 m A g时经过98圈循环后,具有1558.9 m Ah g的可逆放电比容量。同时使用PHATN作为正负极材料而组装成的全有机LIBs电池的循环稳定性同样较优异(在500 m A g时,该全有机LIBs循环1300圈后仍保留有51.9 m Ah g的放电比容量)。(3)设计合成了两种金属有机聚合物(Cu-HAHATN和Ni-HAHATN),在结构中具有活性位点N的基础上进一步引入金属活性中心,而且提高了材料的导电性。将这两种金属有机聚合物作为LIBs负极材料时,Ni-HAHATN的电化学性能优于Cu-HAHATN:在50 m A g时,循环70圈后,Cu-HAHATN的可逆放电比容量为971.4m Ah g,而Ni-HAHATN具有1229.4 m Ah g的高放电比容量;当在1000 m A g进行长循环时,Cu-HAHATN和Ni-HAHATN分别呈现出668 m Ah g和1101.4 m Ah g的初始放电比容量,并且在循环600圈后Cu-HAHATN和Ni-HAHATN的比容量均没有明显衰减,表明两者的循环稳定性较为优异。