含C=N双键有机聚合物负极的设计合成及储锂/钠研究
作者单位：华中科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：王成亮
授予年度：2023年
主 题：有机负极 分子设计 聚合 C=N双键 共价三嗪框架 电化学性能
摘 要：随着科技的发展,人们对能源的需求日益增加。目前被用作负极的金属和石墨分别存在安全隐患和容量有限的问题,难以满足日益增长的需求,开发安全、高性能的新型负极势在必行。具备环境友好、分子可设计等优点的有机负极材料被广泛研究。常被用作有机负极材料的羧酸盐小分子存在容量低以及稳定性较差等问题,相比之下,含C=N双键的亚胺类聚合物容量高并且稳定,极其适合作为负极进行研究,然而关于螯合C=N双键和非螯合C=N双键的储能规律并未有深入研究。基于此,本文通过聚合合成亚胺类聚合物负极,充分研究螯合/非螯合C=N双键在有机电池中的储能规律,并根据此规律设计出具有高性能的电极材料。本文具体开展以下工作:(1)本章工作对亚胺类聚合物C=N双键位点进行设计,对C=N双键位点和容量的关系进行研究。本章工作通过分子设计合成含有C=N双键的三种吡啶聚合物(PBPY-1、PBPY-2和PBPY-3)。其中PBPY-1的C=N双键均为螯合,PBPY-2的C=N双键均为非螯合,PBPY-3的部分C=N双键为螯合。在用作锂离子电池电极后,它们的电化学性能对比证明螯合C=N双键可以存储更多金属离子。本工作充分探究了C=N双键位点和容量之间的关系,为以后高性能的负极材料设计提供参考。(2)基于前一章的结论,本章设计并合成了具有更高容量和倍率性能的二维多孔材料苯并噻二唑-共价三嗪框架(CTF-BTD),其中三嗪环的C=N双键和苯并噻二唑的C=N双键互为邻位螯合,提高了存储的金属离子数;CTF-BTD大的比表面积和多孔结构有利于电解液的充分浸润和离子的传输,使其展现出优异的电化学性能。本章工作将前章工作得到的结论进行应用,并对结构进行优化,得到性能优异的负极材料。本文基于C=N双键设计了多种聚合物,对C=N双键位点和容量之间的关系进行探究,得到螯合C=N双键可以存储更多金属离子的结论,基于该结论进行设计,合成具有优异性能的有机负极材料,最后通过相关测试表征分析了相应聚合物的反应动力学和充放电机理。本文工作有望对含C=N双键有机负极的设计提供思路。
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