钠离子电池用有机共轭羰基正极材料与希夫碱类负极材料的制备及性质研究

摘要

有机共轭羰基聚合物因具有高理论比容量与电解液中的低溶解性而被用作钠离子电池正极上；希夫碱类化合物则因具有较低的氧化还原电势成为新型的储钠负极材料。然而，小分子羰基化合物和小分子希夫碱类化合物在电解液中有较高的溶解度，储钠时会引起比容量的严重衰减。利用合适的条件制备相应的聚合物材料是改善溶解性问题的有效途径。将小分子有机化合物与导电性好的碳材料复合不仅能改善有机材料的导电性，还能有效缓解其溶解性问题。本文主要围绕共轭羰基化合物和希夫碱类化合物的制备和性能研究，研究内容和结果如下：
　　(1)采用一步缩聚法制备了羰基聚合物聚酰亚胺(PI)，进而系统分析了PI作为钠离子电池正极材料在三种电解液体系(NaPF6/EC:DMC、NaClO4/EC:DMC和NaClO4/EC:PC)中的电化学性质，研究发现，由于PI在NaClO4/EC:PC中具有最高的离子电导率，其在NaClO4/EC:PC中表现出最高的初始比容量(110 mAh g-1)及最优的倍率性能。所有电流密度下，PI在NaClO4/EC:PC中的比容量都明显高于另两种电解液，当电流密度为2C时，其放电比容量为100 mAh g-1；在大倍率8C时，仍有89 mAh g-1的放电比容量。
　　(2)以水杨醛、乙二胺与乙酸钴为原料制备了水杨醛基希夫碱钴配合物(SSB(Co)(Ⅱ))，以此配合物为前驱体与还原后的氧化石墨烯(rGO)复合，得到水杨醛基希夫碱钴/石墨烯复合物(SSB(Co)(Ⅱ)/rGO)。研究发现，小分子SSB(Co)(Ⅱ)与rGO复合之后电化学性能提高明显，由于SSB(Co)(Ⅱ)分散在石墨烯的三维导电网络中，能大幅度提高SSB(Co)(Ⅱ)的导电性，石墨烯的三维结构将复合物包覆在其中能加固活性物质，有效降低小分子有机化合物在电解液中的溶解度。在0.2C时，SSB(Co)(Ⅱ)/rGO的放电比容量可达155 mAh g-1，100圈循环之后比容量达到136 mAh g-1，对应的容量保持率为87.7％。1C和2C电流密度时其放电比容量分别为95和76 mAh g-1，表现出良好的循环稳定性和倍率特性。
　　(3)采用两步法以水杨醛、乙二胺和甲醛为原料制备水杨醛基聚希夫碱化合物(SPSB)，并与乙酸钴配合得到水杨醛基聚希夫碱金属钴配合物(SPSB(Co)(Ⅱ))。研究发现，在0.2C时，SPSB放电比容量为181 mAh g-1，循环100圈后放电比容量达到103 mAh g-1，对应容量保持率为57%。在2C、4C与8C下其放电比容量分别为77、64和49 mAh g-1，表现出良好的循环稳定性和倍率特性。SPSB(Co)(Ⅱ)与SPSB相比，在不同电流密度下的比容量均得到明显提高，但是循环稳定性有所下降。在2C、4C和8C下其放电比容量分别为118、95和71mAh g-1，均明显高于纯SPSB。SPSB(Co)(Ⅱ)在第30圈的放电比容量为211 mAh g-1，相比于第2圈的容量保持率只有38.2%。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钠离子电池简介

1.3钠离子电池正极材料

1.4 钠离子电池负极材料

1.5 本课题研究的主要工作

第二章 聚酰亚胺(PI)的制备及其在不同电解液体系中的储钠性质研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 水杨醛基希夫碱钴配合物/石墨烯(SSB(Co)(Ⅱ)/rGO)复合材料的制备及储钠性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 水杨醛基聚希夫碱化合物(SPSB)及其钴配合物

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间完成的研究成果及发表的学术论文