聚苯胺衍生物-氮氧自由基正极材料的制备及其电化学性能的研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长和尺寸小等优点,已经被广泛运用于许多便携式设备,如笔记本电脑、手机、数码相机以及零排放的电动汽车等。其中,正极材料的特性是决定锂离子电池性能的关键因素。目前,锂离子电池的正极材料主要为无机材料,如linio2、licoo2等,其电极反应主要为锂的嵌入与脱出,反应速率受锂离子的固相扩散控制,限制了电池的功率特性。且ni、co作为稀有金属,资源有限、价格较高,提高了锂离子电池的生产成本。寻找一些新型的正极材料成为开发具有高比容量、高倍率性能和优异循环稳定性能的锂离子二次电池的关键。

自由基聚合物是指侧链带有稳定自由基基团的高分子材料,自由基聚合物具有电极反应高度可逆、结构稳定多样、安全、环保、柔性、可设计加工等优点受到广泛关注。有机自由基电池的性能很大程度上受到其正极材料的影响,因此,科学家们对可以作为有机自由基聚合物正极材料的聚合物开展了全面的研究。有机电极材料可以通过化学合成等方法来调整设计其结构,从而有望获得理想的电化学性能。

2002年nakahara等首先报道了使用带有2, 2,6, 6-四甲基哌啶氧基(tempo)自由基的聚(甲基丙烯酸酯)作为活性阴极材料(ptma)的电池。tempo自由基具有优异的电化学性能和突出的稳定性,能发生快速的氧化还原反应并在电解液中稳定地存在一年以上。su[3]等首次合成和研究了自由基密度较高的聚 [n, n,n, n-四苯二胺](pddp)衍生物,作为有机自由基电池的阴极材料。与聚三苯胺(ptpa)相比,基于pddp为正极的锂离子半电池具有3.8和3.3 v两个放电平台, 容量为129.1 mahg-1,非常接近其理论能力(130 mahg-1)。pddp电极具有良好的电化学性能,由于其化学结构稳定,自由基密度高,使pddp成为有机锂二次电池的一种有前途的自由基阴极材料。xu[4]等人通过4-羟基-2, 2, 6,6-四甲基吡啶-1-氧基与吡咯丁酸和吡咯己酸的酯化反应,合成了含有不同侧链长度的聚吡咯(ppy)衍生物,与ptma相比,ppy-b-tempo(与吡咯丁酸的反应产物)和ppy-c-tempo(与吡咯己酸的反应产物)在充放电过程中都表现出两个明显的放电平台,同时两种产物引入的不同长度的侧链与自由基的相互作用也起到了提高电化学性能的作用。熊[5]等人将氮氧自由基引入到三苯胺单元上,聚三苯胺衍生物—聚(4-氨基-n, n-二苯基苯胺-2, 2,5, 5-四甲基吡咯烷酮-1-氧基)。与 ptpa相比, 制备的聚合物的放电能力增强为 134.5ma·g. -1有两个明确放电平台。此外, ptpa-po作为阴极材料, 在100个循环周期内显示出更好的速率性能, 并保持在初始容量的90%以上。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:合成路线见附件

材料表征: ftir、nmr、sem、电池充放电测试、循环伏安测试、电化学阻抗测试

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅文献,确定具体实验路线,准备实验原料以及仪器和设备,确定实验方案;

第4-9周:对聚合物进行合成及化学结构的表征;

第10-12周:装配电池,通过电化学工作站、电池测试系统,探究其电化学及电池性能。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] tobiasjanoschka, martin d. hager, ulrichs. schubert .powering up the future: radical polymers for battery applications.advanced materials, 2012, 24: 6397-6409.

[2] nevers,douglas r, brushett, fikile r, wheeler, dean r .engineering radical polymerelectrodes for electrochemical energy storage. journal of power source, 2017,352:226-244.

[3] su,c; yang, f; ji, ll; xu, lh; zhang, c .polytriphenylamine derivative with highfree radical density as the novel organic cathode for lithium ion batteries.journal of materials chemistry a, 2014, 2: 20083-20088.

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