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有机电极材料固定化策略

化学进展 2020年第1期32卷 103-118页

作者：章胜男韩东梅任山肖敏王拴紧孟跃中中山大学广东省低碳化学与过程节能重点实验室/光电材料与技术国家重点实验室广州510275

有机电极材料因其理论比容量高、低成本、环境友好以及分子结构可设计性强等特点,有望成为下一代可持续和多功能能量储存设备的有效电极材料。然而,根据"相似相溶"原理,该类材料极易溶解在有机电解液中,导致电池容量衰减快、循环稳定性... 详细信息

有机电极材料因其理论比容量高、低成本、环境友好以及分子结构可设计性强等特点,有望成为下一代可持续和多功能能量储存设备的有效电极材料。然而,根据"相似相溶"原理,该类材料极易溶解在有机电解液中,导致电池容量衰减快、循环稳定性和倍率性能也较差。目前已有许多研究致力于通过"固定化"过程解决有机电极材料的溶解问题。本综述针对有机电极材料的固定化策略展开评述,介绍了有机电极材料的固定化机理,以及各种固定化策略在不同种类有机电极材料中所起的作用,指出了有机电极材料面临的挑战,并对未来的研究和改进方向进行展望。

关键词：有机电极材料溶解固定化二次电池

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有机电极材料过渡态的研究进展

电化学 2021年第1期27卷 1-13页

作者：掌学谦卢周广黄苇苇燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室河北秦皇岛066004 南方科技大学材料科学与工程系广东深圳518055 燕山大学环境与化学工程学院河北秦皇岛066004

有机电极材料具有理论比容量大、结构可设计性强、加工使用过程环境友好等优点被广泛应用于二次电池的研究中。有机电极材料在氧化还原过程会产生具有不成对电子的自由基中间体,自由基中间体的稳定程度影响电极材料的电化学性能。通过... 详细信息

有机电极材料具有理论比容量大、结构可设计性强、加工使用过程环境友好等优点被广泛应用于二次电池的研究中。有机电极材料在氧化还原过程会产生具有不成对电子的自由基中间体,自由基中间体的稳定程度影响电极材料的电化学性能。通过改变材料的结构可以调控自由基中间体的稳定性,从而优化有机电极材料的电化学性能。本文对有机电极材料在电化学过程中产生的自由基中间体进行了分类介绍,阐明了材料结构、自由基中间体稳定性和电化学性能之间的关系。

关键词：二次电池有机电极材料过渡态自由基中间体调控

有机电极材料六氮杂苯并菲三醌储锂/钠性能探究

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有机电极材料六氮杂苯并菲三醌储锂/钠性能探究

作者：张一燕山大学

学位级别：硕士

当前,研究高容量、多功能的有机电极材料在金属离子电池中的应用已经成为储能领域的热点。其中,六氮杂苯并菲衍生物由于刚性的二维平面结构在电极材料方向上得到越来越多的关注。本文合成并探究了共轭化合物六氮杂苯并菲三醌(Tribenzoqu... 详细信息

当前,研究高容量、多功能的有机电极材料在金属离子电池中的应用已经成为储能领域的热点。其中,六氮杂苯并菲衍生物由于刚性的二维平面结构在电极材料方向上得到越来越多的关注。本文合成并探究了共轭化合物六氮杂苯并菲三醌(Tribenzoquinoxaline-5,10-dione,3BQ)作为电极材料的应用潜力。3BQ既有高氧化还原电位的6个C=O和6个C=N基团,又有低氧化还原电位的36个不饱和碳,因此同时具有作为正极和负极材料活性物质的能力。基于上述特点,将3BQ分别作为正极和负极材料应用于锂离子电池和钠离子电池中。(1)在锂离子电池中,3BQ正极在0.1 A g条件下显示506 mAh g初始放电容量,0.5 A g下循环300次后容量仍有210 mAh g;3BQ负极在0.05 A g电流密度下能维持550 mAh g以上的放电容量。3BQ正负极材料表现出良好的电化学性能,并且3BQ负极容量远高于3BQ正极容量,故以3BQ为活性物质组装锂离子全有机对称电池。该电池在0.1 A g下初始容量为483 mAh g,在300次循环后容量仍存有172 mAh g,能量密度为301 Wh kg,高于商业化锂离子电池能量密度。(2)在钠离子电池中,3BQ正极在0.1 A g条件下具有574 mAh g的初始放电容量,但经200次充放电后,容量仅为129 mAh g。电流密度从0.05 A g增加至0.5 A g的过程中,放电容量从570 mAh g下降到68 mAh g,电流密度对容量影响较大。而3BQ负极表现出优异的倍率性能,在0.05、0.1、0.15、0.25和0.5 A g下,放电容量分别为333、184、159、141和116 mAh g,当电流密度再次为0.05 A g时,容量为180 mAh g。在0.5 A g高电流密度下循环200次后保留135 mAh g的放电容量。

关键词：有机电极材料六氮杂苯并菲三醌锂离子电池钠离子电池全有机对称电池

蒽醌类有机电极材料在新型二次电池中的应用研究进展

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稀有金属 2022年第2期46卷 238-253页

作者：王玉琪蓝海航侯琼曾荣华高进伟华南师范大学华南先进光电子研究院广东广州510006 华南师范大学化学学院广东广州510006

蒽醌类有机材料是一类具有理论比容量大、氧化还原活性高、电化学可逆性强、结构可设计等优点的低成本、高能量密度的电极活性材料,其在储能方面表现出巨大的潜力。然而,蒽醌小分子在常用的有机电解液中易于溶解,以蒽醌为电极活性材料... 详细信息

蒽醌类有机材料是一类具有理论比容量大、氧化还原活性高、电化学可逆性强、结构可设计等优点的低成本、高能量密度的电极活性材料,其在储能方面表现出巨大的潜力。然而,蒽醌小分子在常用的有机电解液中易于溶解,以蒽醌为电极活性材料的二次电池存在容量易衰减、电池寿命短、电池循环可逆性低、倍率性能较差等问题。随着研究手段的进步,可以通过分子设计对其电化学性能进行调节,蒽醌类有机材料作为具有广阔应用前景的电极活性材料被广泛研究。旨在总结近年来蒽醌类有机电极材料在二次电池方面的研究进展,分析了几类典型的蒽醌类小分子化合物、聚合物以及化合物(聚合物)-复合材料的合成方法及其电化学性能,并对部分电化学反应过程机制进行分析。最后对蒽醌类有机电极材料目前面临的问题和未来的发展方向进行了总结和展望,提出可通过引入活性基团、掺杂含碳材料、优化合成路线等方法,将实验与理论计算相结合,设计出综合性能更加优异的蒽醌类有机电极材料。

关键词：蒽醌有机电极材料二次电池

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基于有机电极材料的低温电池研究进展

储能科学与技术 2024年

作者：王浩天王永刚董晓丽复旦大学

基于无机嵌入化合物电极材料的锂离子电池在低温（< -20 °C）下会失去大部分容量，限制了其在电动汽车、航空航天和国防等关键领域的应用。与传统的无机嵌入化合物电极材料相比，具有氧化还原活性基团的有机电极材料通常表现出较快的... 详细信息

基于无机嵌入化合物电极材料的锂离子电池在低温（电极材料相比，具有氧化还原活性基团的有机电极材料通常表现出较快的电极反应动力学、较强的载流子适应性和优异的低温性能。同时，有机电极材料具有结构可设计性强、资源丰富、环境友好等优点，近年来在二次电池研究领域中受到了广泛关注。本文主要介绍了基于有机电极材料的低温电池体系的研究进展，根据不同氧化还原反应机理对有机电极材料进行了分类，阐述了有机电极材料的储能机制及其特点，结合近几年国内外研究报告介绍了有机物金属（离子）、非金属离子电池，有机物双离子电池等几类典型的低温有机物电池体系，分析了不同工作机理的有机电极材料在低温下的电化学行为，最后总结了有机电极材料在低温电池中的应用前景和挑战，旨在为未来低温有机物电池中有机电极材料的设计及其与电解液的适配性提供指导。

关键词：有机电极材料储能机制低温电池双离子电池

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储能电池有机电极材料改性策略研究进展

物理化学学报 2023年

作者：辛燕葛运年李泽中张桥保田华军华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室厦门大学材料学院固体表面物理化学国家重点实验室华北电力大学能源动力与机械工程学院

有机电极材料因其成本低、资源丰富、环境友好、可设计性等优势，成为具有发展潜力的二次电池候选电极材料。目前，种类丰富的有机电极材料已应用在各种金属离子电池体系，然而有机电极材料的商业化应用仍面临着诸多挑战，如本征电导率... 详细信息

有机电极材料因其成本低、资源丰富、环境友好、可设计性等优势，成为具有发展潜力的二次电池候选电极材料。目前，种类丰富的有机电极材料已应用在各种金属离子电池体系，然而有机电极材料的商业化应用仍面临着诸多挑战，如本征电导率低、在有机电解液中溶解度大、放电电位低等。针对有机电极材料的技术瓶颈，大量研究聚焦在有机电极材料结构、工艺、尺度等改性优化方面。本文回顾有机电极材料的发展历程和应用，并总结其分类、反应机理及主要问题和挑战，进而详细综述有机电极材料已报道的改性策略，包括分子结构修饰、复合导电碳、纳米尺寸优化、电极-电解液耦合与制备工艺优化等方法，分析各改性方法优势和局限性，最后对未来有机电极材料改性研究方向进行展望，为今后有机电极材料的设计与研究提供参考。

关键词：有机电极材料改性策略分子结构设计溶解度导电率

羰基化合物作为锂离子电池有机电极材料研究进展

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科学通报 2019年第32期64卷 3276-3284页

作者：王艳郭瑞天朱国斌衡帅曹章郑洪河苏州大学能源学院

随着锂离子电池从便携式电子设备到大规模储能系统的应用,开发具有高能量密度、功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为研究的重点之一.而锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料.目前,广泛使用的无机电极材料普遍存在容量提升有限、... 详细信息

随着锂离子电池从便携式电子设备到大规模储能系统的应用,开发具有高能量密度、功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为研究的重点之一.而锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料.目前,广泛使用的无机电极材料普遍存在容量提升有限、能耗高和成本高等缺陷.因此,开发新型电极材料至关重要.与传统无机材料相比,有机电极材料具有结构可控、资源丰富、清洁环保和成本低廉等优势,近年来得到了广泛关注.其中共轭羰基化合物以羰基为活性基团,因其结构多样、理论容量高和反应动力学快而被广泛研究.本文从正极、负极、全电池三方面,综述了目前国内外已经开展的关于羰基化合物作为锂离子电池电极材料的研究工作,评述了这些化合物的电化学性能及其具备的优势和存在的不足,并指出了有机化合物作为锂离子电池电极材料需要解决的关键问题.

关键词：锂离子电池有机电极材料正极负极羰基化合物

含萘二酰亚胺及苯醌衍生物有机电极材料的电化学性能研究

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含萘二酰亚胺及苯醌衍生物有机电极材料的电化学性能研究

作者：李乐琦郑州轻工业大学

学位级别：硕士

随着新能源行业的快速发展,对于高效稳定的化学电源需求逐渐增加,而绿色环保的储能器件也显得尤为重要。有机电极材料能够从天然的可再生资源中获取,分子结构可调可控,是一类环境友好的新型材料。本论文主要围绕萘二酰亚胺类与苯醌类有... 详细信息

随着新能源行业的快速发展,对于高效稳定的化学电源需求逐渐增加,而绿色环保的储能器件也显得尤为重要。有机电极材料能够从天然的可再生资源中获取,分子结构可调可控,是一类环境友好的新型材料。本论文主要围绕萘二酰亚胺类与苯醌类有机正极材料展开,通过设计合成分子、增加给受体基团和扩大共轭体系,以此来调整分子的氧化还原电位以及在电解液中的溶解性,最终获得性能优良的锂离子电池正极材料。基于分子设计,获得了n型以及双极性电极材料,通过理论计算以及核磁等相关数据阐述了其充放电机理,探讨了分子结构与电化学性能之间的关系。1.以萘二酰亚胺（NDI）为基本骨架,通过核位延伸合成了两种不同极性（n型和双极性）的有机正极材料,并以金属锂作为负极,完成了扣式电池的组装。将4Br NDI和邻苯二胺反应得到双极性电极材料NDI-NH,进一步氧化之后得到分子NDI-N。这两种分子在1.0-4.1 V的电压范围内均具有4电子氧化还原反应特性,且经过大电流放电后容量恢复率都能达到90%以上。其中NDI-NH为双极性分子,可以与电解液中的阳离子、阴离子发生电化学反应,以0.2C电流放电的起始容量为159.4 m Ah/g,循环250圈后的容量保持率为59%,倍率性能测试表明大电流放电后容量恢复率为90%;NDI-N的首次放电容量为151.3 m Ah/g,在500圈的循环中容量基本维持在140 m Ah/g左右,循环稳定性能更为优异。通过非原位核磁共振氢谱、红外光谱、X射线衍射、XPS等手段对充放电机理进行了阐明,并且理论计算也印证了这两种分子的反应机理,该工作对萘二酰亚胺类多电子反应有机电极材料的设计具有一定的参考价值。2.以1,4-萘醌为原料,通过一步反应得到多环大π共轭化合物3NQ。该化合物具有刚性结构,在有机电解液中溶解度很小,同时含有六个羰基官能团,可以发生6电子氧化还原反应,理论比容量高达343 m Ah/g。以该分子作为正极材料,制备的扣式锂离子电池在68.6 m A/g的电流密度下首次放电容量为322.4 m Ah/g,倍率测试和循环数据表明该分子在多次充放电之后结构发生破坏,以0.2C的电流进行104次充放电循环之后的容量为154.3 m Ah/g;以该分子作为正极材料制备扣式水系锌离子电池,在0.2C的电流下首次放电容量为251.7 m Ah/g,循环101圈以后的容量为150.1 m Ah/g,相比于锂离子电池,该分子在水系锌离子电池中具有更加优异的倍率和循环性能。通过红外光谱、X射线衍射和扫描电镜发现该分子在多次循环以后分子结构和形貌发生了变化。

关键词：有机电极材料锂离子电池萘二酰亚胺羰基多电子反应

双离子电池有机电极材料的制备及其电极反应机理研究

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双离子电池有机电极材料的制备及其电极反应机理研究

作者：蒋波贵州大学

学位级别：硕士

由于其独特的储能方式和结构,双离子电池可以根据需要选择具有成本低、易于合成、化学稳定性高的有机电极材料,同时结合热稳定性高、电化学性稳定的纯离子液体电解质。因此双离子电池能有效缓解贵金属资源紧缺,同时作为优良的能量转换... 详细信息

由于其独特的储能方式和结构,双离子电池可以根据需要选择具有成本低、易于合成、化学稳定性高的有机电极材料,同时结合热稳定性高、电化学性稳定的纯离子液体电解质。因此双离子电池能有效缓解贵金属资源紧缺,同时作为优良的能量转换中介。但有机电极材料由于本征电导率低这一特性不可忽视。本文旨在以纯离子液体为电解质,以有机聚合物和天然石墨为电极活性材料构建结构简单、性能优良、绿色环保的无金属双离子电池,并对正、负极与阴、阳离子的作用机制进行了详细探索。详细内容如下:(1)聚酰亚胺负极材料在双离子电池体系中的电化学性能研究。首先构建基于聚酰亚胺负极(PI)、天然石墨正极(NG)、1-乙基-3甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐(EMIm TFSI)离子液体电解质的有机双离子电池。使用三电极循环伏安法测试了PI电极与EMIm阳离子反应/去反应的氧化还原特性,并测试了全电池的氧化还原特性;利用傅里叶变换红外(FT-IR)和扫面电镜(SEM)研究PI电极循环性能、平台曲线以及容量衰减原因。考虑到PI电导率低导致的电荷转移困难,尝试更换电极中导电剂类型(乙炔黑和石墨烯(GR))、在电极中的含量(乙炔黑浓度20%、40%,石墨烯浓度1%、5%、10%、20%),并采用恒流充放电测试几种方法对电极循环性的影响,以及微分电容曲线研究平台维持特性。(2)聚酰亚胺/石墨烯复合电极材料的电化学性能研究。考虑到通过简单搅拌,制得含量为5%GR的PI电极,DIB表现出不错的循环稳定性。SEM测试发现GR在电极中分布不均,因此PI-GR5-DIB表现出较差的倍率性能。通过原位聚合的方式,得到片状GR表面负载PI颗粒的复合材料PI/GR。使用SEM观察PI/GR表面形貌,恒流充放电测试PI/GR-DIB倍率、循环、平台性能;XPS与CV方法对EMIm阳离子的反应/去反应研究,并建立氧化还原模型。(3)聚酰亚胺负极材料在双离子电池体系当中的原位改性研究。PI电极无论是简单添加石墨烯,还是原位合成得到PI/GR复合材料,均导致了较低的能量比容量。通过制浆过程添加低廉、环保的Na Cl无机盐,制得PI/Na Cl电极。通过循环伏安法研究了PI/Na Cl电极的电化学过程;使用SEM和恒流充放电研究测试了PI/Na Cl-DIB电池的反应前后电极形貌与循环稳定性;使用XPS、XRD研究氧化还原机制,并提出聚酰亚胺的原位改性模型。

关键词：有机电极材料双离子电池离子液体聚酰亚胺/石墨烯复合材料原位改性