锂离子电池导电聚合物电极材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-03-30 19:25
发展先进储能方式是提高能量利用率的关键之一。锂离子电池以其高能量密度和高稳定性被广泛应用于便携式电子产品、汽车、航空航天等领域。有机聚合物电极由于合成简单、结构多样、环境友好等特点,有望在下一代高性能锂离子电池中得到实际应用。本论文以提升锂离子电池聚合物电极的能量密度和循环稳定性为出发点,设计制备了新型的三苯胺类和噻吩类聚合物电极材料,研究其电化学性能,并分别作为正极和负极组装了相应的锂离子电池,探究聚合物结构对电池性能的影响。主要研究内容和结果如下:（1）设计合成了三种孔结构差异较大的苯-噻吩基聚合物p BHT、p BAT及p BABT,并将其用于锂离子电池负极材料。SEM和BET测试表明,p BHT为空心柱状结构,比表面积较高（1139 m2/g）。在电流密度为100 m A/g时,p BHT的首周放电比容量为1649 m Ah/g,第二周急剧衰减为84 m Ah/g,可逆比容量极低,这是由于空心柱状结构会在充放电过程中形成“死锂”,导致聚合物结构崩塌。而含有乙炔基的p BAT和p BABT两种聚合物比表面积非常低（分别为32.5 m2/...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
方形池示意图[27]
锂离子电池导电聚合物电极材料的制备及其电化学性能研究3过程中，正极钴酸锂失去电子，同时Co3+部分被被氧化为Co4+形成Li1-xCoO2结构，锂离子通过电解液进入负极；负极石墨得到电子，同时锂离子嵌入石墨层中形成LixC6结构；相反的放电时锂离子从石墨层中脱出，到达正极。充放电过程中锂离子经电解液在正负极间来回穿梭，电子通过集流体从电池外部流动，最早的锂电池也被称为“摇椅电池”。充放电过程中电极反应如下：正极反应LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-(1-1)负极反应C6+xLi++xe-LixC6(1-2)电池反应LiCoO2+C6Li1-xCoO2+LixC6(1-3)图1-2锂离子电池工作示意图[14]Figure1-2.SchematicillustrationoftheworkingmechanismofLi-ionbatteries1.3有机锂离子电池原理及特点尽管目前二次电池已经商业化，但是依然存在各种问题。随着人们的探索，电极材料的种类变得越来越丰富，可以采用特殊的结构设计来满足实际应用要求的不断提高[24]。在逐渐扩大的电极材料体系中，有机活性材料由于结构丰富、环境友好、可再生等优点，近年来研究热度逐渐增加[25-26]。1.3.1有机电池的反应原理有机锂离子电池的基本构成与无机锂离子电池的组成结构基本一致，但其电极反应原理却有较大的差异。在有机锂离子电池中，有机电极发生氧化/还原时电极会失去/得到电子，使有机分子带正/负电荷，为了保持电中性，电解液中的阴/阳离子移动到电极内部，形成电中性的类盐结构，相应的过程称为p掺杂或n掺杂[27]。
锂离子电池导电聚合物电极材料的制备及其电化学性能研究5图1-3三种聚合物电极的结构Figure1-3.TheStructureofthreepolymerelectrodes(2)正负极材料都是n型掺杂，充放电时只有阳离子在正负极间发生掺杂/脱掺杂。Emanuelsson[93]等以导电聚合物PEDOT为主链，侧链活性基团为苯醌和蒽醌构成的聚合物为正负极材料组成全电池。后由于PEDOT主链具有良好的导电性，电极不需要添加导电剂，全电池的反应机理如图1-4所示。该全有机电池的平均电势为0.5V，放电比容量为90mAh/g，但是由于正极PEDOT-BQ的循环稳定性较差导致全电池性能一般。图1-4一种n型聚合物全有机电池的反应机理[93]Figuer1-4.Thereactionmechanismofann-typepolymerall-organicbattery(3)正负极都为p型掺杂，充放电过程中只有阴离子在正负极材料间发生掺杂。Cadiou[94]等人设计了一种配合物1/1M-LiClO4-PC/聚合物2组成的全有机电池，电极的结构如图1-5所示，两种电极材料都是p-掺杂性质，在充放电过程中只有ClO4-进行掺杂。该电池的充放电电压平台在0.7V，在正负极材料质量比为1:2时，全电池的比容量为61mAh/g，循环15周后比容量为50mAh/g，全电池的性能与负极材料的电化学性能基本一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Extended π-conjugated N-containing heteroaromatic hexacarboxylate organic anode for high performance rechargeable batteries[J]. Shu-Biao Xia,Teng Liu,Wen-Jin Huang,Hong-Bo Suo,Fei-Xiang Cheng,Hong Guo,Jian-Jun Liu. Journal of Energy Chemistry. 2020(12)
[2]Recent advances in gel polymer electrolyte for high-performance lithium batteries[J]. Ming Zhu,Jiaxin Wu,Yue Wang,Mingming Song,Lei Long,Sajid Hussain Siyal,Xiaoping Yang,Gang Sui. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
[3]我国锂离子电池正极材料发展历程回顾[J]. 康浩,朱素冰. 新材料产业. 2019(10)
[4]苯/二联苯为桥的噻吩-吡咯-噻吩结构:分子构型及电致变色性质（英文）[J]. 戴玉玉,李维军,闫拴马,王士昭,俞越,欧阳密,陈丽涛,张诚. 物理化学学报. 2017(11)
[5]Research progresses of cathodic hydrogen evolution in advanced lead–acid batteries[J]. Feng Wang,Chen Hu,Min Zhou,Kangli Wang,Jiali Lian,Jie Yan,Shijie Cheng,Kai Jiang. Science Bulletin. 2016(06)
博士论文
[1]电化学聚合制备基于导电聚合物的高能量密度超级电容器电极与器件[D]. 张环环.吉林大学 2017
[2]基于电活性聚合物的全有机电池研究[D]. 朱利敏.武汉大学 2013
硕士论文
[1]基于星型结构噻吩类单体的共轭聚合物的电化学制备及电致变色性质[D]. 陈澜.浙江工业大学 2017
[2]锂离子电池电解液添加剂的分子设计、合成和电化学性质研究[D]. 余灵超.电子科技大学 2017
本文编号：3110018
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
方形池示意图[27]
锂离子电池导电聚合物电极材料的制备及其电化学性能研究3过程中，正极钴酸锂失去电子，同时Co3+部分被被氧化为Co4+形成Li1-xCoO2结构，锂离子通过电解液进入负极；负极石墨得到电子，同时锂离子嵌入石墨层中形成LixC6结构；相反的放电时锂离子从石墨层中脱出，到达正极。充放电过程中锂离子经电解液在正负极间来回穿梭，电子通过集流体从电池外部流动，最早的锂电池也被称为“摇椅电池”。充放电过程中电极反应如下：正极反应LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-(1-1)负极反应C6+xLi++xe-LixC6(1-2)电池反应LiCoO2+C6Li1-xCoO2+LixC6(1-3)图1-2锂离子电池工作示意图[14]Figure1-2.SchematicillustrationoftheworkingmechanismofLi-ionbatteries1.3有机锂离子电池原理及特点尽管目前二次电池已经商业化，但是依然存在各种问题。随着人们的探索，电极材料的种类变得越来越丰富，可以采用特殊的结构设计来满足实际应用要求的不断提高[24]。在逐渐扩大的电极材料体系中，有机活性材料由于结构丰富、环境友好、可再生等优点，近年来研究热度逐渐增加[25-26]。1.3.1有机电池的反应原理有机锂离子电池的基本构成与无机锂离子电池的组成结构基本一致，但其电极反应原理却有较大的差异。在有机锂离子电池中，有机电极发生氧化/还原时电极会失去/得到电子，使有机分子带正/负电荷，为了保持电中性，电解液中的阴/阳离子移动到电极内部，形成电中性的类盐结构，相应的过程称为p掺杂或n掺杂[27]。
锂离子电池导电聚合物电极材料的制备及其电化学性能研究5图1-3三种聚合物电极的结构Figure1-3.TheStructureofthreepolymerelectrodes(2)正负极材料都是n型掺杂，充放电时只有阳离子在正负极间发生掺杂/脱掺杂。Emanuelsson[93]等以导电聚合物PEDOT为主链，侧链活性基团为苯醌和蒽醌构成的聚合物为正负极材料组成全电池。后由于PEDOT主链具有良好的导电性，电极不需要添加导电剂，全电池的反应机理如图1-4所示。该全有机电池的平均电势为0.5V，放电比容量为90mAh/g，但是由于正极PEDOT-BQ的循环稳定性较差导致全电池性能一般。图1-4一种n型聚合物全有机电池的反应机理[93]Figuer1-4.Thereactionmechanismofann-typepolymerall-organicbattery(3)正负极都为p型掺杂，充放电过程中只有阴离子在正负极材料间发生掺杂。Cadiou[94]等人设计了一种配合物1/1M-LiClO4-PC/聚合物2组成的全有机电池，电极的结构如图1-5所示，两种电极材料都是p-掺杂性质，在充放电过程中只有ClO4-进行掺杂。该电池的充放电电压平台在0.7V，在正负极材料质量比为1:2时，全电池的比容量为61mAh/g，循环15周后比容量为50mAh/g，全电池的性能与负极材料的电化学性能基本一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Extended π-conjugated N-containing heteroaromatic hexacarboxylate organic anode for high performance rechargeable batteries[J]. Shu-Biao Xia,Teng Liu,Wen-Jin Huang,Hong-Bo Suo,Fei-Xiang Cheng,Hong Guo,Jian-Jun Liu. Journal of Energy Chemistry. 2020(12)
[2]Recent advances in gel polymer electrolyte for high-performance lithium batteries[J]. Ming Zhu,Jiaxin Wu,Yue Wang,Mingming Song,Lei Long,Sajid Hussain Siyal,Xiaoping Yang,Gang Sui. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
[3]我国锂离子电池正极材料发展历程回顾[J]. 康浩,朱素冰. 新材料产业. 2019(10)
[4]苯/二联苯为桥的噻吩-吡咯-噻吩结构:分子构型及电致变色性质（英文）[J]. 戴玉玉,李维军,闫拴马,王士昭,俞越,欧阳密,陈丽涛,张诚. 物理化学学报. 2017(11)
[5]Research progresses of cathodic hydrogen evolution in advanced lead–acid batteries[J]. Feng Wang,Chen Hu,Min Zhou,Kangli Wang,Jiali Lian,Jie Yan,Shijie Cheng,Kai Jiang. Science Bulletin. 2016(06)
博士论文
[1]电化学聚合制备基于导电聚合物的高能量密度超级电容器电极与器件[D]. 张环环.吉林大学 2017
[2]基于电活性聚合物的全有机电池研究[D]. 朱利敏.武汉大学 2013
硕士论文
[1]基于星型结构噻吩类单体的共轭聚合物的电化学制备及电致变色性质[D]. 陈澜.浙江工业大学 2017
[2]锂离子电池电解液添加剂的分子设计、合成和电化学性质研究[D]. 余灵超.电子科技大学 2017
本文编号：3110018
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