高电位聚乙烯咔唑在钠电池中的应用与电化学研究
发布时间：2020-12-16 22:31
钠元素在地壳中的储量较大,从经济角度讲,钠离子电池（sodium-ion batteries,SIB）是目前最具潜力的电池体系之一。但是,钠元素的原子半径较大,它在传统无机材料中脱/嵌比较困难。可喜的是,有机材料具有内部晶格空间较大、结构可设计、成本低廉、合成工艺可控等优点,这意味着它作为下一代电极材料具有极大的开发价值。因此,基于绿色、环保、经济等方面的考虑,开发具有氧化还原活性的有机化合物作为钠离子电池的电极材料已经成为了目前热门的研究方向之一。当前,具备高电位的有机正极材料还非常稀少。因此,本论文研究了聚乙烯咔唑((C12H8NCH:CH2)n,PVK)作为正极材料在钠离子电池中的电化学性能,旨在开发一种具有高电位的钠离子正极材料。在钠离子电池中,该材料具有138 mAh/g的理论比容量。首先,本论文研究了聚乙烯咔唑在钠离子电池中的电化学活性,证明了其在钠离子电池体系中存在电池行为;探究了不同导电添加剂对聚乙烯咔唑钠离子电池的影响,证实了碳纳米管在一定程度上可优化电池性能;探索了不同电解液对该...
【文章来源】： 何恒阳 电子科技大学
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机化合物的氧化还原反应物[25]
第一章绪论5极，我们通常只考虑N。这是因为相较于其它几种，它在自然环境中更加稳定，并且还可能具有相对较低的氧化还原电位。对于双极型B而言，可以根据实际的应用将它看作p型或者n型其中之一。图1-1有机化合物的氧化还原反应物[25]。(a)n型有机物；(b)p型有机物；(c)双极型有机物1.3.2有机负极材料目前，已经有多种有机钠离子电池负极材料被报道，例如对苯二甲酸二钠（Na2C8H4O4，Na2TP，如图1-2所示）及其衍生物、SSDC（sodium4,4’-stilbene-dicarboxylate）和PNTCDA（一种聚酰亚胺）等[26-29]。在报道中，它们大都能够表现出较好的性能。然而，与商业化的锂离子电池相比仍有较大的差距。在此，本论文简单介绍其中一种有机负极材料。图1-2Na2TP电化学机理[29]正如1.3.1节所言，有机负极材料一般选择N型，例如，2012年，Hu等人首次报道了有机材料作为钠离子电池负极[29]。在这篇文章中，他们介绍了一种以羧酸盐为基础的有机材料——对苯二甲酸二钠，其电化学机理如图1-2所示。经测试发现，该材料能够表现出较低的钠离子嵌入电压（0.29Vvs.Na+/Na）、高的可逆比容量（250mAh/g）和优秀的循环性能。此外，实验结果还表明，当Na2TP表面
笑卸训?峁沟男?沟嫉缇酆衔铮?言诠獾绮牧现械?到了广泛研究，并且主要用于光伏和电致发光器件[37-40]。在电池中，由于PF6-与PVK中的氮原子相互作用的机制，聚乙烯咔唑是电池中最有效的离子存储材料之一。它具有的咔唑基团中的氮原子在1V（相对于氢标电极）时能够表现出可逆的氧化还原反应。此外，PVK在有机聚合物中具有相对较低的分子量，所以拥有较高的理论比容量。因此，本论文系统研究了PVK在钠离子电池中的电化学性能，意图实现其高电位（1.9~4.6V）、高容量（理论比容量约为138mAh/g，详见3.2.3节）的特性。图1-3LCO及两类P型有机材料。(a)LCO反应式；(b)三苯胺、咔唑基团1.4聚乙烯咔唑1.4.1聚乙烯咔唑在电池中的研究历史事实上，PVK作为具有单电子氧化还原反应和阴离子脱嵌能力的高电位正极材料已经有了一定的研究基矗在1985年，YasuhikoShirota等人首次报道了电化学掺杂的聚乙烯咔唑（PVK）可能作为二次锂离子电池的正极材料[41]。该电池在放电时表现出了较高的电压平台，并且在100次充放电循环中，没有明显的电压平台变化。这些结果表明，电化学掺杂的PVK可用作可充电电池的正极材料。在2007年的《CompositesScienceandTechnology》期刊里，M.Baibarac等人报道了聚乙烯咔唑和碳纳米管复合材料在可充电锂电池中的应用[42]。为了制备聚乙烯咔唑（PVK）和碳纳米管（CNs）复合材料，M.Baibarac等人通过循环伏安法（CV）在LiClO4/乙腈溶液中研究了N-乙烯基咔唑（NVK）的电化学聚合。他们使用PVK/CNs复合材料作为正极并采用LiPF6有机溶液作为电解液组装成电池。经测试，PVK与SWNT复合时表现出45mAh/g的比容量，而当碳纳米管换为MWNT（multi-walledcarbonnanotubes）后，其电池充放电比容量变为115mAh/g。
本文编号：2920892
【文章来源】： 何恒阳 电子科技大学
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机化合物的氧化还原反应物[25]
第一章绪论5极，我们通常只考虑N。这是因为相较于其它几种，它在自然环境中更加稳定，并且还可能具有相对较低的氧化还原电位。对于双极型B而言，可以根据实际的应用将它看作p型或者n型其中之一。图1-1有机化合物的氧化还原反应物[25]。(a)n型有机物；(b)p型有机物；(c)双极型有机物1.3.2有机负极材料目前，已经有多种有机钠离子电池负极材料被报道，例如对苯二甲酸二钠（Na2C8H4O4，Na2TP，如图1-2所示）及其衍生物、SSDC（sodium4,4’-stilbene-dicarboxylate）和PNTCDA（一种聚酰亚胺）等[26-29]。在报道中，它们大都能够表现出较好的性能。然而，与商业化的锂离子电池相比仍有较大的差距。在此，本论文简单介绍其中一种有机负极材料。图1-2Na2TP电化学机理[29]正如1.3.1节所言，有机负极材料一般选择N型，例如，2012年，Hu等人首次报道了有机材料作为钠离子电池负极[29]。在这篇文章中，他们介绍了一种以羧酸盐为基础的有机材料——对苯二甲酸二钠，其电化学机理如图1-2所示。经测试发现，该材料能够表现出较低的钠离子嵌入电压（0.29Vvs.Na+/Na）、高的可逆比容量（250mAh/g）和优秀的循环性能。此外，实验结果还表明，当Na2TP表面
笑卸训?峁沟男?沟嫉缇酆衔铮?言诠獾绮牧现械?到了广泛研究，并且主要用于光伏和电致发光器件[37-40]。在电池中，由于PF6-与PVK中的氮原子相互作用的机制，聚乙烯咔唑是电池中最有效的离子存储材料之一。它具有的咔唑基团中的氮原子在1V（相对于氢标电极）时能够表现出可逆的氧化还原反应。此外，PVK在有机聚合物中具有相对较低的分子量，所以拥有较高的理论比容量。因此，本论文系统研究了PVK在钠离子电池中的电化学性能，意图实现其高电位（1.9~4.6V）、高容量（理论比容量约为138mAh/g，详见3.2.3节）的特性。图1-3LCO及两类P型有机材料。(a)LCO反应式；(b)三苯胺、咔唑基团1.4聚乙烯咔唑1.4.1聚乙烯咔唑在电池中的研究历史事实上，PVK作为具有单电子氧化还原反应和阴离子脱嵌能力的高电位正极材料已经有了一定的研究基矗在1985年，YasuhikoShirota等人首次报道了电化学掺杂的聚乙烯咔唑（PVK）可能作为二次锂离子电池的正极材料[41]。该电池在放电时表现出了较高的电压平台，并且在100次充放电循环中，没有明显的电压平台变化。这些结果表明，电化学掺杂的PVK可用作可充电电池的正极材料。在2007年的《CompositesScienceandTechnology》期刊里，M.Baibarac等人报道了聚乙烯咔唑和碳纳米管复合材料在可充电锂电池中的应用[42]。为了制备聚乙烯咔唑（PVK）和碳纳米管（CNs）复合材料，M.Baibarac等人通过循环伏安法（CV）在LiClO4/乙腈溶液中研究了N-乙烯基咔唑（NVK）的电化学聚合。他们使用PVK/CNs复合材料作为正极并采用LiPF6有机溶液作为电解液组装成电池。经测试，PVK与SWNT复合时表现出45mAh/g的比容量，而当碳纳米管换为MWNT（multi-walledcarbonnanotubes）后，其电池充放电比容量变为115mAh/g。
本文编号：2920892
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