新型醌类物质作为正极材料在锂有机电池中的研究与应用

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随着科技的快速发展以及数码产品的更新迭代,人们对能源的需求越来越高。锂离子电池需要拥有更加优秀的性能才能满足人们日益增长的使用需求。传统过渡金属氧化物材料正极如钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂搭配石墨负极的锂离子电池的比容量约为250 mAh g-1,已经不能满足新时代的使用需求。结构多样、成本更低、环境友好、电化学性能可调控的有机电极材料用于锂离子电池近年来受到了越来越广泛的关注。其中,一些含醌基的共轭羰基有机物由于具有较高的理论比容量、高量密度和合成便捷等优点被认为是最有前途正极材料之一。羰基有机电极材料的最大挑战是活性物质在有机电解质中的不必要溶解,至今,研究者们提出了各种策略来解决这一问题。本文成功地合成了一种新型醌类材料1,4-PNQ作为锂有机电池的正极。通过在两个NQ分子之间插入一个1,4-BDT分子,使得分子间的相互作用增强,分子结构扩大。这一策略极大地避免了小分子醌类在G4电解液中的非必要溶解,将正极材料的溶解度从12.83(NQ)降低到0.11(1,4-PNQ)mgmL-1。此外,插入的1,4-BDT不仅增大了分子尺寸,还减弱了活性单元之间的电荷排斥作用,从而保证了 1,4-PNQ接近100%的羰基利用率。作为锂电池的正极材料,1,4-PNQ具有较高的首圈放电容量(231 mAhg-1),这相当于其理论比容量的97.9%。同时,1,4-PNQ还具有优秀的循环性能,在循环120圈后仍能保持185 mAh g-1的放电比容量。此外,1,4-PNQ正极在5 C的倍率下循环了 500圈之后,其电池的放电容量仍保持在初始容量的93.5%。值得注意的是,在同类型分子中,1,4-PNQ由于其独特的结构具有最快的分子动力学和最大的锂离子扩散系数。这些发现为抑制共轭醌类有机电极材料在电解液中的溶解问题提供了一种很有前景的策略。基于上个工作桥联机理的启发,我们还通过类似的取代反应得到了 PQP聚合物,反应过程不需要较高的反应温度和反应时间,且副产物易分离,这些优点能一定程度上降低正极材料的生产成本。随后,通过红外光谱和扫描电镜图像分别展示了 PQP的特征官能团和形貌。PQP分子中的共轭羰基和共轭亚胺分别对应了活性物质的n型和p型电化学反应,而这两种反应发生的电压区间不同。PQP作为电化学行为可调控的正极材料有着巨大的发展潜力,其一个单元结构最多能释放或储存四个电子,这使得其理论比容量高达503 mAh g-1。最后,对Li/PQP电池进行循环伏安测试,结果与构想的充放电机理能够较好吻合。在循环性能测试中,PQP表现出373 mAh g-1的初始比容量和190 mAh g-1的50圈容量保持,相比其前驱体2,5-二氯代苯醌循环性能有较大提升。
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