PAN和TCNQ金属衍生物作为锂离子电池关键材料的研究

摘要

随着环境恶化和能源紧缺的问题逐渐凸显，储能电池得到了越来越广泛的关注。当前，为了彻底解决锂二次电池的安全性问题，全固态锂离子电池成为了目前的研究热点。聚合物电解质作为固态电池的关键部件，具有柔韧性好、资源丰富、电化学稳定性好等优点，但聚合物电解质较低的室温离子电导率是限制其发展的最大障碍。本论文的第一部分内容即通过将氧化石墨烯(GO)作为填料来改性聚丙烯腈基“polymer-in-salt”类聚合物电解质。
　　当前，发展替代传统无机材料的新型有机电极材料也成为了重要的研究课题，虽然有机材料具有对环境友好、价格便宜、结构丰富多样等诸多优势，但有机小分子在电解液中的溶解度较高且电导率较低等因素极大地阻碍了其在锂二次电池中的应用，本论文的第二部分内容即通过液相法合成微纳米结构的CuTCNQ电荷转移复合物，旨在提高 TCNQ类材料的导电性，降低其溶解度，提升其循环性能和倍率性能。本论文主要工作和结果如下：
　　(1)以聚丙烯腈（PAN）/双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）聚合物电解质为基础，利用二维层状结构的氧化石墨烯作为纳米填料改性电解质的性能，讨论了氧化石墨烯含量对离子电导率、电化学稳定性、锂离子迁移数和界面稳定性等的影响；
　　(2)氧化石墨烯的加入能有效地提高聚合物电解质的整体性能，当GO添加量为0.9wt％时，离子电导率达1.1×10-4S cm-1(30℃)，锂离子迁移数达0.4，电化学氧化电位达到4.5V以上；
　　(3)通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等测试方法分析了GO的加入对聚合物电解质微结构的影响，探讨了离子电导率提高的原因，认为GO的加入促进了体系的去耦合化，并提出了GO表面含氧官能团和离子团共同传导锂离子的导电机制；
　　(4)以TCNQ和金属铜箔为原料，通过简单的液相法合成了CuTCNQ微纳米柱，首先研究了不同反应时间对CuTCNQ形貌的影响，然后分别制备粉体CuTCNQ电极和薄膜CuTCNQ一体化电极来研究CuTCNQ在锂二次电池中的电化学性能。对粉体CuTCNQ电极而言，电流密度为11mA g-1时，电池循环50周后比容量为40mAh g-1，容量保持率为74%(相对于第二周)；研究了CuTCNQ的倍率性能，发现其在电流密度为11mA g-1和110mA g-1下的比容量非常接近，分别为42mAh g-1和37mAh g-1，说明CuTCNQ拥有优异的循环稳定性和倍率性能，这是因为CuTCNQ在电解液中的溶解度较低且自身的电导率较高；
　　(5)研究了薄膜CuTCNQ一体化电极的电化学性能，结果表明薄膜CuTCNQ一体化电极也体现出了不错的电化学可逆性，由于没有外加导电添加剂和粘结剂，所以有利于提高电池的能量密度。
　　(6)通过非原位X射线衍射和非原位红外光谱测试证明了CuTCNQ在电化学脱嵌锂中结构的可逆性，通过循环伏安曲线发现了TCNQ-/TCNQ2-单电子氧化还原对有两个氧化峰和还原峰。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的基本介绍

1.3 锂离子电池聚合物电解质

1.4 锂离子电池电极材料

1.5 主要研究内容和创新点

第二章 PAN基聚合物固体电解质的改性研究

2.1 实验部分

2.2 测试和表征

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 CuTCNQ有机电极材料的初步研究

3.1 实验部分

3.2 测试和表征

3.3 材料表征结果与讨论

3.4 电化学性能测试结果与讨论

3.5 CuTCNQ的机理研究

3.6 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果