2,2’-联(3-羟基-1,4-萘醌)与2,5-二羟基钠-1,4-苯醌的制备及其电化学性能研究

摘要

作为一种高性能能量储存转换设备，锂离子电池被广泛地应用在日常生活中并且取得了巨大的成功。然而锂离子电池仍存有一些问题。一方面锂离子电池需要提高其安全性，降低电极材料在合成过程中的能量消耗以及提供更高的能量密度以满足对于混合动力汽车、纯电动汽车和智能电网的需求。另一方面大量的锂资源难于从矿物中提取或者提取成本太高造成锂资源有限，其资源并不能够满足大规模电能存储的需求。因此，发展新型电极材料以及使用由储量丰富和价格低廉的钠构成的钠离子电池成为改善上述问题的可能途径。在锂离子电极材料中，有机羰基化合物具有较高的氧化还原稳定性，较高的理论比容量，“绿色友好”的合成过程以及分子结构的可设计性强等优点，此外该类材料与钠离子同样可以发生可逆电化学反应，且比容量较高。因此，有机羰基化合物作锂/钠离子电池电极材料近来引起了广泛关注。然而由于小分子有机羰基化合物易溶于有机电解液造成其循环性能较差，以及其本身的导电性能较差使得其倍率性能不佳等原因，使得其作为一种锂/钠离子电极材料离实际应用尚有一段距离。
　　因此，为了解决小分子羰基化合物的溶解及导电性差的问题，本文将小分子羰基化合物与介孔碳复合及将小分子羰基化合物成盐，合成了2，2'-联（3-羟基-1，4-萘醌）(H2bhnq)/CMK-3的纳米复合物和2，5-二羟基钠-1，4-苯醌(Na2DHBQ)，并测试二者分别作为锂离子/钠离子电池电极材料的性能。研究内容和结果如下:
　　利用简单的“灌入法”在室温下将H2bhnq分子填充在了有序介孔碳CMK-3的孔道中，并通过多种表征手段证明CMK-3的孔道负载了H2bhnq。该复合物在0.1C条件下首次放电容量达到了308.6 mAh g-1，经过50周循环后容量仍有202.6mAh g-1，在10C的倍率下，可逆容量仍有124 mAh g-1。结果表明，CMK-3不仅能够提高H2bhnq的导电性同样能在一定程度上改善化合物的溶解。
　　通过简单的“一锅法”合成了Na2DHBQ，通过多种测试验证了其分子结构，进而研究了其电化学性能。结果表明Na2DHBQ的羰基在充放电过程中利用率较高(91.3％)，材料有着良好的循环和倍率性能:在0.1C的放电倍率条件下该材料首次放电容量达到265.7 mAh g-1，经过50周循环后，仍有231 mAhg-1的容量;在1C的倍率条件下，首次放电容量为248.3 mAhg-1，经过100周充放电循环后其比容量为191.1 mAh g-1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 锂离子简介

1．1．1 锂离子电池的组成

1．1．2 锂离子电池的工作原理

1．1．3 无机材料应用于锂离子电池研究简要介绍

第二节 有机羰基化合物作锂离子电极材料研究进展

1．2．1 小分子类羰基化合物材料

1．2．2 聚合物类羰基化合物材料

1．2．3 锂盐类羰基化合物材料

第三节 钠离子电池简介

1．3．1 钠离子电池的意义

1．3．2 钠离子电池正／负极材料

第四节 有机羰基化合物作钠离子电极材料研究进展

1．4．1 钠盐类羰基化合物材料

1．4．1 聚合物类羰基化合物材料

第五节 本论文研究内容和创新点

第二章 材料的制备与表征方法

第一节 实验所用药品

第二节 结构及形貌表征

第三节 锂离子电池的组装和电化学性能测试

2．3．1 锂离子电池的组装

2．3．2 电化学性能测试

第三章 2，2’-联(3-羟基-1，4-萘醌)／CMK-3纳米复合材料的制备及其作为锂离子电池正极材料的研究

第一节 引言

第二节 2，2’-联(3-羟基-1，4-萘醌)的制备与表征

3．2．1 材料的合成

3．2．2 材料的红外表征、核磁共振表征、元素分析表征

3．2．3 材料的扫描电镜分析及热稳定性分析

第三节 2，2’-联(3-羟基-1，4-萘醌)／CMK-3复合材料的合成

3．3．1 复合材料的合成

3．3．2 复合材料的X射线衍射分析

3．3．3 复合材料的氮气吸脱附性能分析

3．3．4 复合材料的扫描电镜及透射电镜分析

第四节 2，2’-联(3-羟基-1，4-萘醌)／CMK-3复合材料的电化学性能表征

3．4．1 充放电测试

3．4．2 循环性能测试

3．4．3 倍率性能测试

第五节 特殊纳米结构对材料电化学性能的影响

3．5．1 特殊纳米结构对材料循环稳定性的影响

3．5．2 特殊纳米结构对材料倍率性能的影响

第六节 本章小结

第四章 2，5-二羟基钠-1，4-苯醌的制备及其钠离子电池电化学性能研究

第一节 引言

第二节 2，5-二羟基钠-1，4-苯醌的制备与表征

4．2．1 材料的合成

4．2．2 材料的红外表征、拉曼表征、核磁共振表征、元素分析表征

4．2．3 材料的扫描电镜分析及热稳定性分析

第三节 2，5-二羟基钠-1，4-苯醌电化学性能测试

4．3．1 CV测试

4．3．2 充放电测试

4．3．3 循环性能测试

4．3．4 倍率性能测试

第四节 本章小节

第五章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历及在学期间的论文与专利