鈉元素在地殼中的儲(chǔ)量較大,從經(jīng)濟(jì)角度講,鈉離子電池（sodium-ion batteries,SIB）是目前最具潛力的電池體系之一。但是,鈉元素的原子半徑較大,它在傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料中脫/嵌比較困難�？上驳氖�,有機(jī)材料具有內(nèi)部晶格空間較大、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、成本低廉、合成工藝可控等優(yōu)點(diǎn),這意味著它作為下一代電極材料具有極大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。因此,基于綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面的考慮,開(kāi)發(fā)具有氧化還原活性的有機(jī)化合物作為鈉離子電池的電極材料已經(jīng)成為了目前熱門(mén)的研究方向之一。當(dāng)前,具備高電位的有機(jī)正極材料還非常稀少。因此,本論文研究了聚乙烯咔唑((C₁₂H₈NCH:CH₂)_n,PVK)作為正極材料在鈉離子電池中的電化學(xué)性能,旨在開(kāi)發(fā)一種具有高電位的鈉離子正極材料。在鈉離子電池中,該材料具有138 mAh/g的理論比容量。首先,本論文研究了聚乙烯咔唑在鈉離子電池中的電化學(xué)活性,證明了其在鈉離子電池體系中存在電池行為;探究了不同導(dǎo)電添加劑對(duì)聚乙烯咔唑鈉離子電池的影響,證實(shí)了碳納米管在一定程度上可優(yōu)化電池性能;探索了不同電解液對(duì)該... 

【文章來(lái)源】： 何恒陽(yáng) 電子科技大學(xué)

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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有機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng)物[25]

第一章緒論5極，我們通常只考慮N。這是因?yàn)橄噍^于其它幾種，它在自然環(huán)境中更加穩(wěn)定，并且還可能具有相對(duì)較低的氧化還原電位。對(duì)于雙極型B而言，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用將它看作p型或者n型其中之一。圖1-1有機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng)物[25]。(a)n型有機(jī)物；(b)p型有機(jī)物；(c)雙極型有機(jī)物1.3.2有機(jī)負(fù)極材料目前，已經(jīng)有多種有機(jī)鈉離子電池負(fù)極材料被報(bào)道，例如對(duì)苯二甲酸二鈉（Na2C8H4O4，Na2TP，如圖1-2所示）及其衍生物、SSDC（sodium4,4’-stilbene-dicarboxylate）和PNTCDA（一種聚酰亞胺）等[26-29]。在報(bào)道中，它們大都能夠表現(xiàn)出較好的性能。然而，與商業(yè)化的鋰離子電池相比仍有較大的差距。在此，本論文簡(jiǎn)單介紹其中一種有機(jī)負(fù)極材料。圖1-2Na2TP電化學(xué)機(jī)理[29]正如1.3.1節(jié)所言，有機(jī)負(fù)極材料一般選擇N型，例如，2012年，Hu等人首次報(bào)道了有機(jī)材料作為鈉離子電池負(fù)極[29]。在這篇文章中，他們介紹了一種以羧酸鹽為基礎(chǔ)的有機(jī)材料——對(duì)苯二甲酸二鈉，其電化學(xué)機(jī)理如圖1-2所示。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該材料能夠表現(xiàn)出較低的鈉離子嵌入電壓（0.29Vvs.Na+/Na）、高的可逆比容量（250mAh/g）和優(yōu)秀的循環(huán)性能。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)Na2TP表面

笑卸訓(xùn)?峁溝男?溝嫉緹酆銜錚?言詮獾綺牧現(xiàn)械?到了廣泛研究，并且主要用于光伏和電致發(fā)光器件[37-40]。在電池中，由于PF6-與PVK中的氮原子相互作用的機(jī)制，聚乙烯咔唑是電池中最有效的離子存儲(chǔ)材料之一。它具有的咔唑基團(tuán)中的氮原子在1V（相對(duì)于氫標(biāo)電極）時(shí)能夠表現(xiàn)出可逆的氧化還原反應(yīng)。此外，PVK在有機(jī)聚合物中具有相對(duì)較低的分子量，所以擁有較高的理論比容量。因此，本論文系統(tǒng)研究了PVK在鈉離子電池中的電化學(xué)性能，意圖實(shí)現(xiàn)其高電位（1.9~4.6V）、高容量（理論比容量約為138mAh/g，詳見(jiàn)3.2.3節(jié)）的特性。圖1-3LCO及兩類(lèi)P型有機(jī)材料。(a)LCO反應(yīng)式；(b)三苯胺、咔唑基團(tuán)1.4聚乙烯咔唑1.4.1聚乙烯咔唑在電池中的研究歷史事實(shí)上，PVK作為具有單電子氧化還原反應(yīng)和陰離子脫嵌能力的高電位正極材料已經(jīng)有了一定的研究基矗在1985年，YasuhikoShirota等人首次報(bào)道了電化學(xué)摻雜的聚乙烯咔唑（PVK）可能作為二次鋰離子電池的正極材料[41]。該電池在放電時(shí)表現(xiàn)出了較高的電壓平臺(tái)，并且在100次充放電循環(huán)中，沒(méi)有明顯的電壓平臺(tái)變化。這些結(jié)果表明，電化學(xué)摻雜的PVK可用作可充電電池的正極材料。在2007年的《CompositesScienceandTechnology》期刊里，M.Baibarac等人報(bào)道了聚乙烯咔唑和碳納米管復(fù)合材料在可充電鋰電池中的應(yīng)用[42]。為了制備聚乙烯咔唑（PVK）和碳納米管（CNs）復(fù)合材料，M.Baibarac等人通過(guò)循環(huán)伏安法（CV）在LiClO4/乙腈溶液中研究了N-乙烯基咔唑（NVK）的電化學(xué)聚合。他們使用PVK/CNs復(fù)合材料作為正極并采用LiPF6有機(jī)溶液作為電解液組裝成電池。經(jīng)測(cè)試，PVK與SWNT復(fù)合時(shí)表現(xiàn)出45mAh/g的比容量，而當(dāng)碳納米管換為MWNT（multi-walledcarbonnanotubes）后，其電池充放電比容量變?yōu)?15mAh/g。


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