發(fā)布時(shí)間：2018-05-05 22:31

  本文選題：多孔聚合物 + 微孔碳　； 參考：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著科技的發(fā)展及生活水平的提高,人們對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的要求日益增長(zhǎng),鋰電池因?yàn)槠鋬?yōu)異的綜合性能受到廣泛的關(guān)注。在鋰電池的發(fā)展進(jìn)程中,電極材料始終是制約其性能及應(yīng)用推廣的重要因素,因此,發(fā)展新一代的鋰電池電極材料迫在眉睫。多孔材料尤其是多孔碳材料,由于其優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性、多孔性、高比表面積以及普遍較高的導(dǎo)電率在電極載體方面起著重要的作用。金屬有機(jī)骨架(MOFs)衍生的碳材料被報(bào)道應(yīng)用在能源存儲(chǔ)方面,由于其較高的比表面積以及組成元素多樣性受到關(guān)注,但是由于較低的碳產(chǎn)率制約其發(fā)展。近年來,多孔聚合物如多孔芳香骨架(PAFs),共價(jià)有機(jī)骨架(COFs)及內(nèi)在微孔聚合物(PIMs)由于特殊的共價(jià)鍵相連賦予材料超高的穩(wěn)定性、比表面積及高碳含量,其衍生碳材料有望在能源存儲(chǔ)方面得到長(zhǎng)足的發(fā)展。本文致力于以多孔聚合物為碳源,制備具有不同結(jié)構(gòu)的多孔碳材料,將其作為鋰電池的電極載體研究電化學(xué)性質(zhì),深入探討影響鋰電池電化學(xué)性能的因素,提出提高鋰電池電化學(xué)性質(zhì)的方法。具體包括以下四部分內(nèi)容:第二章以目前報(bào)道的具有最高比表面的多孔芳香骨架PAF-1為碳源得到的微孔碳材料為載體,發(fā)揮其孔道的限域作用將廣泛應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料的錫基納米顆粒固定其中,研究發(fā)現(xiàn)主體材料由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性及微孔性質(zhì),允許電荷在孔道內(nèi)轉(zhuǎn)移,不僅有效的對(duì)錫基納米顆粒在長(zhǎng)時(shí)間的電化學(xué)循環(huán)過程中由于鋰離子的嵌入和脫出產(chǎn)生的體積膨脹進(jìn)行了緩沖,提高了整體材料的電化學(xué)穩(wěn)定性,并且通過與客體材料之間的協(xié)同作用提高整體材料的比容量。將納米顆粒嵌入微孔材料的策略也可以拓展到其他體系中,用以提高整體材料的電化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)前一章的研究表明微孔材料作為電極載體富有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì),我們將目光拓展至具有更高能量密度的鋰硫電池體系中,第三章通過碳化二維多孔聚合物JUC-Z2得到的微孔碳材料作為載體,研究了材料的載硫量及浸漬策略對(duì)整體材料電化學(xué)性質(zhì)的影響因素。結(jié)果表明主體材料的微孔(0.5 nm)對(duì)硫的限域作用明顯,只有S2-4小分子可以擴(kuò)散至主體材料的微孔之中并且由于微孔的限域作用使硫分子保持鏈狀,阻礙了多硫化物的溶解,保持電極的完整性;裝載的硫完全浸漬入微孔材料的孔當(dāng)中,主體材料的微孔作為一個(gè)物理“柵欄”阻礙了電解液中的醚類分子滲透進(jìn)入微孔,從而減緩電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的多硫化物與電解液的反應(yīng),提高電化學(xué)性質(zhì)。因此以碳化二維多孔聚合物得到的富氮微孔碳作為鋰硫電池的主體材料有著巨大的應(yīng)用潛力。為了進(jìn)一步研究碳化多孔聚合物作為載體應(yīng)用在鋰硫電池電極材料的普適性,第四章以碳化三維多孔聚合物COF-300得到的微孔碳做為載體,并通過調(diào)節(jié)碳化溫度改變主體材料的微孔分布,得出提高電化學(xué)性質(zhì)的因素:首先,主體材料的微孔(~0.5 nm)對(duì)硫的限域作用,其次,在所有材料負(fù)載硫含量相似的情況下,主體材料的微孔低于0.5 nm的孔體積越大,所吸附的小分子硫越多,穩(wěn)定性越好;最后,富氮碳材料可以促進(jìn)對(duì)硫的化學(xué)吸附作用。因此,通過改變碳源前驅(qū)物,二維多孔聚合物及三維多孔聚合物得到富氮微孔碳材料均可以作為鋰硫電池的主體材料,發(fā)揮微孔對(duì)小分子硫的限域作用,提高循環(huán)穩(wěn)定性。通過前兩章的研究,第五章設(shè)計(jì)合成以多孔聚合物PIM-1為微孔碳源,制備具有核殼結(jié)構(gòu)的有序介孔-微孔碳載體,材料結(jié)合了介孔材料和微孔材料的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)了各自的不足,運(yùn)用熔融浸漬策略將硫擴(kuò)散至復(fù)合材料的孔中,作為鋰硫電池正極載體顯示了優(yōu)異的性能。通過與傳統(tǒng)的有序介孔碳和基于PIM-1合成的微孔碳載體進(jìn)行對(duì)比,這種核殼結(jié)構(gòu)的有序介孔-微孔碳載體顯示了以下優(yōu)勢(shì):首先,循環(huán)穩(wěn)定性良好:微孔作為“殼”包裹在介孔外,由于限域作用將S2-4小分子固定在孔道中,可以有效限制介孔部分產(chǎn)生的多硫化物的溶出從而提高循環(huán)穩(wěn)定性。其次,載硫量提高,實(shí)際載硫量為71.3 wt%,有效的提高了材料整體的比容量。因此,將多孔聚合物PIM-1引入到傳統(tǒng)的有序介孔碳材料當(dāng)中,通過碳化處理設(shè)計(jì)合成核殼結(jié)構(gòu)的有序介孔-微孔碳載體,為鋰硫電池正極載體的設(shè)計(jì)合成提供了新的思路。綜上所述,本論文以目前受到廣泛關(guān)注的鋰電池電極載體為目標(biāo),以多孔聚合物為多孔碳的起始原料,對(duì)其進(jìn)行加工處理,深入的探討影響電化學(xué)性質(zhì)的因素。本論文的研究?jī)?nèi)容及所得結(jié)果為碳化多孔聚合物合成多孔碳材料及其在鋰電池的應(yīng)用中提供了理論支持。
[Abstract]:In recent years , porous polymers such as porous aromatic skeleton ( PAFs ) , covalent organic framework ( COFs ) and intrinsic microporous polymer ( PIMs ) have been widely used in energy storage because of their excellent physical and chemical stability , porosity , high specific surface area and high conductivity . In this paper , the porous polymer PIM - 1 is used as the main material of the lithium - sulfur battery , so as to improve the stability of the cycle . The porous polymer PIM - 1 is used as the main material of the lithium - sulfur battery .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM912

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